第168章 科幻引擎（五）（1 / 1）

如今，我们已实现通过降落伞减缓助推器的下落速度，并保留部分燃料使其平稳着陆——spacex公司就多次演示过这一技术。

然而，可重复使用火箭的实现仍面临诸多挑战：即使火箭箭体没有高速撞击地面或坠入腐蚀性海水，发射过程中的极端环境也会导致箭体出现裂纹和变形，需要进行仔细的检测和维护才能再次使用。

若能研发出更耐磨损的超级材料，将大幅降低火箭发射成本，实现火箭的快速、便捷重复使用——就像现在的汽车和飞机那样。

加粗-火箭方程

火箭方程决定了航天器的最大飞行速度，该速度取决于两个关键因素：

1.排气速度：推进剂从火箭或航天器推进器尾部喷出的速度；

2.质量比：航天器满载燃料和氧化剂时的初始质量，与燃料耗尽后仅保留航天器本体和有效载荷的最终质量之比。

根据火箭方程，若要使火箭达到与排气速度大小相等、方向相反的飞行速度，所需燃料的质量需接近火箭本体与有效载荷总质量的两倍。

反之，若要达到排气速度一半的飞行速度，所需燃料和氧化剂的质量仅需约为火箭本体与有效载荷总质量的一半。

举一个具体例子：

·若一艘10吨的航天器使用排气速度为10000英里/小时的推进剂：

o要达到5000英里/小时的速度，大约需要6.5吨燃料；

o要达到10000英里/小时的速度，需要近17吨燃料；

o要达到20000英里/小时（两倍排气速度）的速度，需要整整64吨燃料；

o要达到30000英里/小时（三倍排气速度）的速度，则需要201吨燃料。

这种急剧上升的曲线，正是我们常听到“火箭方程的暴政”这一说法的原因——它极大地限制了航天器的最大速度和有效载荷能力。

大多数化学火箭燃料的排气速度在数千米/秒（最高约10000英里/小时）量级。要进入近地轨道（忽略上升过程中的空气阻力损失），航天器的速度需达到近8000米/秒（约177000英里/小时）；前往其他行星需要更高的速度；而要实现实用的星际旅行，速度则需达到当前化学火箭速度的数十至数百倍。

尽管我们已有一些排气速度更高的推进方案，但通常需要在推力大小上做出妥协——为了获得更高的最终速度和效率，往往需要牺牲推力。

因此，几乎所有关于先进推进技术的讨论，本质上都是在寻找以下两种解决方案：

1.研发排气速度更高的推进剂；

2.规避火箭方程的限制，例如采用无反冲推进器或激光帆等技术。

加粗-推力

推力是使航天器产生运动的力：推力越大，航天器的加速度越大；加速时间越长，最终速度越高。同时，航天器的质量越大，所需的推力也越大。

在航天器中，推力最常见的产生方式是：火箭火焰喷出超高温气体，气体对航天器产生反作用力，推动航天器前进。

高推力的优势非常明显：

·没有足够的推力，航天器无法脱离行星表面；

·推力越大，航天器达到目标速度的时间越短，旅程耗时也越短。

然而，在实际应用中，几乎所有高推力技术都存在“低效率”的问题——能实现快速加速，但最终速度相对有限；而像离子推进器这样的低推力发动机，虽然加速缓慢，但能通过长时间持续工作达到更高的最终速度。

航天器推进技术的“圣杯”，是研发一种“高推力、高效率”的燃料或推进系统，例如火炬推进器或反物质火箭。

加粗-希卡德推进器

希卡德推进器是一种恒星发动机，其设计目的是利用恒星自身的能量来推动恒星运动。

其工作原理如下：

1.核心结构：在恒星周围部署一组“轨道镜”或静态卫星（statite）；

2.光反射：通过这些镜子或卫星将恒星发出的光反射到单一方向；

3.动量传递：反射光产生的反作用力会缓慢推动恒星加速，使其达到光速的一个较小比例。

希卡德推进器的加速特性与恒星的质量和亮度相关：

·大质量恒星：亮度与质量比更高，因此加速速度更快；

·小质量恒星：能燃烧更大比例的燃料，因此最终能达到更高的速度。

但无论哪种恒星，希卡德推进器的加速过程都非常缓慢。由于加速所需的时间极长，从“推动恒星穿越整个银河系”到“推动恒星在邻近几个恒星系统间移动”，所需的努力差异相对较小。

加粗-太阳帆

太阳帆的工作原理基于“光子具有动量”这一物理特性：

·不透明物体吸收光子时，会获得光子的动量；

·反光物体（如镜子）反射光子时，会获得两倍于光子入射动量的反冲动量（光子被反向反射，动量变化加倍）；

·若光子被偏转一定角度，太阳帆和偏转后的光子会向不同方向运动，动量守恒依然成立。

利用这一原理，太阳帆可以“借助”太阳光前进。

但太阳帆存在一个显著弱点：需要制造巨大且轻薄的帆面，才能反射足够的太阳光来推动相对较小的航天器。即便使用超薄材料制造帆面，它仍面临诸多风险：

·易受微陨石撞击；

·会被太空尘埃和辐射侵蚀；

·若帆面过大，还会成为航行中的潜在危险（如与其他天体碰撞）。

此外，太阳光的强度遵循“平方反比定律”——距离太阳越远，光强越弱。例如，太阳帆在冥王星轨道接收到的光强，仅为其在水星轨道时的数千分之一。

为应对这些限制，人们提出了多种改进方案：

·激光帆：本质上是一种“由激光聚焦照射的太阳帆”，可通过人工激光提供持续推力；

·电动/磁太阳风帆：利用电离太阳风粒子或物质束来推动帆面，而非依赖太阳光。

此外，太阳帆还可用于维持航天器的“静止轨道”或非常规轨道，例如静态卫星（statite）的应用。

加粗-比冲

比冲与排气速度是衡量火箭燃料、推进剂或航天器推进系统性能的“孪生指标”：

·排气速度：衡量推进剂粒子从火箭喷管或推进器喷出的速度；

·比冲（简称isp）：衡量发动机产生推力的效率，通常定义为“发动机在1倍地球重力加速度（1g）下能够持续产生推力的时间”——即发动机能使火箭在地球重力场中悬停（既不上升也不下降）的秒数。

大多数现代火箭燃料的比冲在数百秒量级。需要注意的是：

·某些比冲较低的燃料在特定场景下可能更有用；

·比冲会受环境影响（如在大气层内或太空中使用，比冲会有所不同）。

因此，我们通常会使用比冲较低的助推器来实现地面起飞——这类助推器虽然效率不高，但能提供更大的推力。

比冲与排气速度之间存在明确的数学关系：

·推进剂的排气速度除以地球重力加速度（32英尺/秒²或9.8米/秒²），可近似得到该推进剂的比冲；

·反之，比冲乘以地球重力加速度，可得到推进剂的排气速度。

加粗-静态卫星

与大多数以“移动航天器”为目标的推进系统不同，静态卫星的设计目的是“使物体保持静止”。

静态卫星的概念由罗伯特・福沃德于1993年提出，名称由“静态”（static）和“卫星”（satellite）组合而成。它能够直接悬停在恒星上方，而非像普通卫星那样沿轨道环绕恒星运行。

静态卫星的工作原理是“利用太阳光的辐射压平衡恒星的引力”：

·静态卫星的主体是一个轻薄的物体，其平面与恒星光线垂直；

·太阳光照射在物体上产生的辐射压，与恒星对物体的引力相互平衡，使物体保持在固定位置。

为确保静态卫星既不远离恒星也不坠入恒星，需要精确平衡其“截面密度”（即单位面积的质量），因此静态卫星通常会配备调整截面和倾斜角度的装置——这不仅能实现轨道维持，甚至能让静态卫星像太阳帆一样移动。

静态卫星正常工作的关键因素是“表面密度”（或截面密度）——即静态卫星的厚度，通常需要达到锡箔纸甚至更薄的水平。

由于太阳光的辐射压和恒星引力均遵循“平方反比定律”（强度随距离平方递减），具有特定表面密度的静态卫星，其工作状态不受与恒星距离的影响。但需要注意的是，对于亮度-质量比不同的恒星，同一静态卫星无法正常工作——恒星的质量差异通常在100倍以内，但亮度差异可超过10亿倍，这会导致辐射压与引力的平衡关系完全不同。

静态卫星的设计还可进行多种变体：

·利用磁场偏转太阳风离子，作为太阳光辐射压的补充或替代；

·结合太阳反射镜或光束，使更重的静态卫星也能实现悬停。

“拉格卫星”（lagite）是静态卫星的一种特殊变体，名称由“拉格朗日点”（lagrangepoint）和“卫星”（satellite）组合而成。它将常规轨道运动与推进系统结合，使物体能以“非自然速度”运行——例如：

·近地轨道卫星通常每2小时环绕地球一周，而拉格卫星可实现每天环绕地球1-2周；

·绕水星运行的拉格卫星发电阵列，可在绕太阳运行的过程中始终与地球保持“对齐”，从而持续向地球传输能量。

加粗-teleportation（teleportation）

虽然teleportation最广为人知的形式是短距离点对点传输（如《星际迷航》中的传送器），但这一广义的太空旅行类别可指“任何无需在两点间实际航行，就能将物体直接传送到目的地的推进方式”——这与超空间跳跃引擎不同，后者通常需要进入一个与我们宇宙平行且全等的空间（在该空间中，要么空间尺度更小，要么光速更高）。

teleportation的实例种类繁多，差异极大，例如：

·弗兰克・赫伯特的《沙丘》系列中，宇航公会使用的“折叠空间推进器”（holzmandrive）；

·电影《黑洞表面》中，同名航天器所使用的推进器——该推进器本应实现“两点间瞬时移动”，但实际上却是一种超空间引擎（这让船员们大失所望）。

尤其是用于超光速旅行的teleportation，通常被归类为克拉克科技。

加粗-火炬推进器或火炬飞船

“火炬推进器”一词常被用于描述核聚变反应推进系统——这类系统通常只能将不超过1%的燃料质量转化为能量。但该术语的最初含义，源自罗伯特・海因莱因1953年的短篇小说《太空电梯》（skylift）中描述的“火炬飞船”——这种飞船能够将100%的物质转化为能量。

这种“全质量-能量转化”的特性意味着：

·火炬飞船的速度通常能比核聚变推进器高出一个数量级；

·其性能与反物质推进器相当。

与反物质推进相比，“将物质直接转化为能量”的方式具有明显优势：它允许航天器使用从任何来源获取的物质作为“燃料”，而无需进行复杂且危险的反物质制造和储存。

有些观点认为，若一艘航天器的“排气速度×推力”乘积达到极高数值，即可被称为火炬飞船——例如：

·《太空无垠》系列中描述的高速度、高推力飞船；

·或加速度较低，但能输出数百太瓦功率的大型飞船（即便其推进速度仅为几英里/秒）。

加粗-可变比冲磁等离子体火箭

可变比冲磁等离子体火箭（简称vasimr）是一种航天器推进技术，属于电热推进器的范畴。其工作流程如下：

1.能量来源：通过反应堆、电池或太阳能电池板产生电能；

2.电离推进剂：电能用于产生无线电波，将中性、惰性的推进剂（通常是氙或氩等惰性气体）电离——推进剂失去一个电子，获得正电荷；

3.加速等离子体：电离后的推进剂（等离子体）被注入一个布满电磁铁的空心圆柱体中，电磁铁像粒子加速器一样对等离子体施加作用力，将其以极高的速度（等效温度约为100万度）从航天器尾部推出。

相比之下，大多数化学火箭燃料的排气温度仅为数千度。

可变比冲磁等离子体火箭及类似的发动机设计，使得配备优质电源（如核裂变/核聚变反应堆，或太阳能、能量束等外部电源）的航天器，能够以极少量的燃料实现极高的速度。

加粗-曲速推进器

尽管阿尔库比勒曲速推进器和《星际迷航》中的曲速推进器是最著名的曲速推进器实例，但“曲速推进”这一类别早于这些概念，其核心思路是：

·航天器无需在空间中“穿行”，而是通过“扭曲空间（或时空）”来实现移动——这一思路极具吸引力，因为爱因斯坦的相对论已证实“时空可以被扭曲”，且这一现象已通过大量实验验证。

因此，人们提出了许多利用时空扭曲实现航天器推进的设想。此外，时空扭曲还能规避相对论对超光速飞行的限制，并且理论上可能实现“低燃料/低能量消耗”的太空旅行。

需要注意的是，利用时空扭曲实现超光速飞行仍面临诸多问题，这些问题可能使这种应用从根本上无法实现。但即便如此，时空扭曲在亚光速旅行中仍具有实用价值——实际上，引力辅助机动（利用行星、恒星等大质量天体的引力加速）就可被视为时空扭曲在推进中的一种应用（大质量天体本身就会扭曲时空）。

然而，大多数曲速推进概念不仅需要“收缩空间”（普通质量和引力就能实现这一点），还需要“膨胀空间”——这需要使用负质量或负能量。目前，尚未有确凿证据表明负质量存在，负能量的存在也仅在卡西米尔效应和真空能量的相关研究中存在争议（尚无定论）。

加粗-虫洞推进器

虫洞推进器是克拉克科技的一种实例，它利用虫洞进行推进，但并非“穿越虫洞旅行”，而是“通过虫洞从外部获取燃料”。

若虫洞确实能够被制造出来，其形成过程可能存在以下限制：

·虫洞的入口和出口必须在同一位置生成，然后再将它们分开；

·虫洞的出口可能随机出现在某个位置（如大质量引力场深处，甚至另一个宇宙）；

·虫洞可能是单向的，或在物体穿越时具有破坏性（导致穿越的信息和物体被不可逆地打乱）。

若上述任何一种限制成立，利用虫洞进行旅行的另一种方式是：

·将虫洞的一端放置在恒星近轨道（甚至恒星内部）；

·将虫洞的另一端放置在航天器尾部；

·恒星的物质和能量通过虫洞输送到航天器尾部，产生巨大推力，且无需航天器自身携带燃料——从而规避火箭方程的限制。

类似地，“星门”式的portals（传送门）技术也可用于：

·向航天器发送物质或激光束；

·实现货物或人员的传输。

今天，我们探讨了众多航天器发动机，从经典设计到遥远未来的设想，其中一些或许能让我们实现前往其他星球的梦想。但目前，我们仍主要依赖火箭技术，而一个非常现实的问题是：在火箭技术对环境造成负面影响之前，我们能将其规模扩大到何种程度？

遗憾的是，许多技术（尤其是交通领域的技术）都会对环境产生各种负面影响，无论是森林砍伐、碳排放，还是对空气和水质的污染。对于如何解决这些问题，人们往往存在诸多分歧。