資料來源：千龍新聞
2003年8月12日
茫茫宇宙，浩瀚星空，大自然中有太多的奧秘牽動著人們的好奇心 ，催促著人們不停地探索追尋。但時至今日，探測器只不過剛飛離 太陽系，載人飛船也僅僅到過月球而已。難道說現有的技朮水平還 無法實現人類太空尋夢的理想？ 500年前，在哥倫布跨越大西洋將新大陸展現給歐洲后，英國、法 國、西班牙和葡萄牙的開拓者們毫不猶豫地揚帆西行。今天，若我 們在宇宙中能找到新的、適合人類生存的星球，人類探索地外生命 的腳步無疑將更加快捷。 目前，美國航空航天局（NASA）正准備實施一項名為“地球行星搜 尋者”（TPF）的太空探測計划，擬在今后10年，將一台TPF太空望 遠鏡送入太空，專門尋找宇宙中同地球類似的行星。盡管人類不知 像地球一樣的行星身在何處，而在像TPF那樣先進的儀器所拍攝的 照片上，行星也仿佛是籠罩在其附近恆星光芒中的一個十分微弱的 光斑。但就是這個微弱的光斑足以讓人類了解到行星的質量、溫度 和物質構成。同時，還可以推斷，它是否具有生命的化學標記物， 例如含有水蒸氣和甲烷的富氧大氣。如果我們找到了所期待的、在 另外一個行星上極有可能存在著生命的証據，那么人類自然會欣喜 若狂，感到在茫茫宇宙中我們也許并不孤獨。但是，靜靜想來，我 們走出太陽系，靠的是什么呢？ 要知道，離我們人類最近、推測存在著類似地球的恆星系阿爾法人 馬座（AlphaCentauri）距我們4.4光年，這個距離是人類歷史上飛 行最遠的深空探測器飛行距離的3000倍﹔而擁有三顆大行星、與太 陽系十分相似的巨蠍座55（55Cancri）（恆星）距地球約50光年。 因此，我們人類要走出太陽系、走進深空需要速度極快的交通工具 ，即極速飛行器，它應比我們人類目前制造的航天儀器要先進得多 。不過，美國NASA噴氣推進器實驗室的工程師羅伯特﹒弗里斯比對 此卻信心十足。他認為，走進深空并非是可望不可及的事情。 弗里斯比目前正從事先進的推進器概念研究，他的工作和夢想就是 要找到完成星際旅行的工具。他認為，他所研究的5種不同的推進 技朮可能讓宇航員在未來花費不足50年的時間飛抵阿爾法人馬座恆 星系。弗里斯比說，“深空探測不是夢幻。當有人做到時，我們所 說得便再也不是幻想。” 飛出太陽系、走進另一個恆星系的計划，耗資將是巨大的，但同時 也是偉大的！ 走出太陽系要靠核動力 1903年，俄國物理學家康斯坦丁﹒齊奧爾科夫斯基發現了星際旅行 中的巨大障礙，即火箭的最大速度不可能超過火箭推進器噴口噴出 物質速度的兩倍。今天的航天飛機在飛行過程中，燃料燃燒后從噴 口噴出的速度低于每秒3英里，航天飛機的速度無法突破每秒6英里 這個界限。以這樣的飛行速度，宇宙飛船需要12萬年才能飛抵阿爾 法人馬座恆星系。因此，一名宇航員要想在自己的有生之年（工作 40年）飛抵目的地，飛船的速度必須是現在航天飛機飛行速度的30 00倍。 可如何才能達到這么快的速度呢？弗里斯比說，利用核裂變、核聚 變和反物質3種工作形式工作的核反應堆作為推進動力，就有望實 現這個理想。 核裂變火箭 科學家們同核裂變打交道已有六十多年的經驗。几十年前，他們利 用核裂變原理制造了原子彈和可控核反應堆。 美國勞倫斯﹒利弗莫爾國家實驗室的研究人員在喬治﹒查普林的領 導下，設計出了概念型、可控高速粒子的“裂變碎片”反應堆。該 反應堆類似于一大摞“唱片”。“唱片”主體由石墨構成，石墨上 有放射性核燃料（如 和 ）。工作時，“唱片”旋轉著進入圓柱 形塔，同塔中其他放射性物質接觸后迅速發生可控鏈式裂變反應。 附加在“唱片”狀反應堆上的強大磁場將反應產生的裂變碎片束縛 在一起，以同一方向噴射而出，噴射所產生的巨大的反作用力能把 火箭推到極高的速度，即每秒1.8萬公里，約為光速的6％。 為使火箭飛行速度達到光速的十分之一，即每秒3萬公里，弗里斯 比提議把兩個裂變火箭疊加起來成為二級核裂變火箭。該火箭第二 級將能有效地將火箭（探測飛船）推到光速的12％。這樣，人類可 經過46年漫長的星際旅行，進入阿爾法人馬座恆星系中類似地球的 行星的軌道。如果要探測離地球更遠的星球，那么宇航員在有生之 年根本無法完成漫長的星際旅行。即使可以采用更多級的核裂變火 箭來協助飛行，他們也只能仰天長嘆。 242并非自然界中存在的元素，它是通過用中子轟擊 而獲得的放 射性同位素。 242是最理想的可作為核燃料的同位素，因為它只 需達到裂變反應臨界狀態的鈾或 質量的1％，就能開始持續裂變 。從傳統的放射性燃料如鈾235和 239中不可能得到這樣的裂變 碎片，因為它們都需要巨大的燃料棒來吸收裂變產物。 為了大大減輕飛船的重量，使其盡可能的小，裂變火箭應該用 24 2這樣的、能產生可作為推進劑的高能高溫裂變產物的核燃料。不 過據美國專家估算，飛向鄰近恆星系的旅行需要大約200萬噸 。 然而，如果改用鈾或 ，那么所需燃料重量會大得更為驚人，這勢 必將增加探測器的體積和重量，使探測器變得十分龐大而不切實際 。 核聚變火箭 弗里斯比認為，因為核聚變是將原子核結合在一起而不是將原子核 分裂，所以該火箭的發動機在獲取能量的方式上要比裂變發動機完 美得多。聚變反應堆能夠減少產生一些不必要的放射，另外聚變堆 很容易獲得補充燃料。這是因為在月球的表面和木星的大氣中存在 大量的燃料氘和氚。這意味著，采用利用核聚變火箭作為交通工具 可在太陽系內的月球或木星上補充燃料，然后繼續星際旅行。 但遺憾的是，科學家經過了數十載的努力，至今仍沒有造出一個能 正常工作的核聚變反應堆。人類已經知道如何引爆氫彈（氫彈爆炸 時發生核聚變反應），但卻無法掌握控制技朮。美國新澤西國家球 形環試驗裝置（NSTX）和聯合歐洲環（JET）等聚變實驗平台將氘 和氚原子核約束在磁場中，并加熱至數百萬度，當原子核發生碰撞 并結合時有能量釋放出來。但是，眼下這類試驗所耗能量几乎是其 產生能量的兩倍。 不過，弗里斯比樂觀地認為，聚變技朮已不再遙遠。一旦科學家掌 握了受控核聚變，那么他們將控制反應中產生的帶電粒子，并讓它 們從噴口噴射而出。從核聚變反應堆噴出的粒子能使二級火箭的速 度達到光速的12％。核聚變火箭推進的宇宙飛船同采用核裂變火箭 推進的星際旅行類似，能很快地飛抵最近的恆星系，但卻沒有更多 潛力可挖。核聚變火箭需要的燃料大約也是200萬噸，不過不需要 厚厚的防輻射層，這意味著利用這種動力的空間儀器體積要小得多 。 反物質火箭 阿爾伯特﹒愛因斯坦著名的能量方程（E＝mc2）表明：物質是能 量的一種濃縮形式。裂變和聚變反應僅僅將1％的反應物質轉化成 了能量。然而事實上，有一種方式能使物質與能量的轉化率接近 100％，這就是將物質與其鏡像“孿生”兄弟───反物質相結合 。物理學家讓接近光速的基本粒子進行猛烈碰撞后獲得了少量的反 物質。瑞士CERN高能物理實驗室的科學家不久前“捕獲”到1百萬 個反氫原子。應該看到，反物質將是星際旅行火箭的重要燃料。然 而，想要獲得星際旅行火箭所需的大量反物質，也許是件不可思議 的事情。但弗里斯比表示：這是一種相當直接的方式，我們已經擁 有了產生反物質所需的磁場、輻射體和粒子束。 在反物質火箭中，一定量的反氫原子和等量的氫原子在燃燒室內混 合發生“燃燒”。如果雙方各自重量為半磅，那么在結合湮滅時所 產生的能量將比10兆噸氫彈釋放的能量還要大，伴隨能量噴出的還 有π介子和μ介子粒子流。采用同裂變火箭類似的方式將粒子束縛 起來，讓它們從噴嘴噴出，其噴射速度將達到光速的三分之一，這 樣火箭的最高速度將可達到光速的66％。 兩級反物質火箭飛往阿爾法人馬座恆星系需要90萬噸燃料。在更遠 距離的星際旅行中，利用四級（兩級加速，兩級減速）火箭可使反 物質火箭顯示出自己的優勢。據弗里斯比計算，飛往距離地球41光 年的巨蠍座55恆星需要3800萬噸燃料，耗時130年。而采用裂變火 箭，同樣的航程則需400年。 走出太陽系還有新動力 星際旅行的最佳方法將是放棄使用推動宇宙飛船飛行的大量燃料。 過去人類發射的水星探測器、完成的阿波羅登月計划和現在使用的 航天飛機均暴露了采用火箭推進方式存在的缺陷：攜帶的大量燃料 使航天器變得龐大低效，因為火箭產生的大量動力耗費在運載燃料 上。這種較為原始的推進方式在發射人造衛星和登月計划中尚可采 用，但是在星際旅行中，工程師們認為需要另外尋找更輕便、更靈 活和更迅捷的推進系統，讓飛船速度接近光速。這樣的新型推進系 統目前有兩種，其中一種不久將接受測試﹔而另一種如同阿爾法人 馬座那樣，離我們還十分遙遠。 激光帆 1984年，美國休斯飛機公司研究實驗室的物理學家羅伯特﹒福沃德 在其標志性的論文中，提出了采取古老風帆技朮進行星際旅行的理 念。正如勁風能使帆船漂洋過海那樣，強大的激光束也可以推動具 有大“帆”的宇宙飛船在太空中暢游。激光的光束射到“帆”上后 便轉化成動力并推動宇宙飛船前進。科學家設想用太陽系中的激光 器為飛船提供動力，讓其逐漸提速，并奔向遙遠的世界。 至今，工程師們已研制出一種簡單的太空帆船，但它利用太陽光能 而非激光束提供動力。在未來几個月內，行星學會（一個太空愛好 者的私人組織）計划發射其首創的太陽“帆船”。此“帆船”名為 宇宙1號（Cosmos1），重50磅，其鍍鋁“帆”寬達100英尺。“帆 船”計划于2005年從北冰洋巴倫支海海域利用潛艇發射升空。離開 大氣層后，太陽光將推動它進入更高的運行軌道。 太陽帆的工作原理是，帆將照射過來的太陽光（光子）反射回去。 由于力的作用是相互的，太陽帆將光子“推”回去的同時，光子也 會對太陽帆產生反作用力。就是這種反作用力推動飛船前進。NAS A噴氣推進器實驗室太陽“帆船”負責人霍皮﹒普賴斯認為，這種 不攜帶燃料的推進方式將開辟全新的星際旅行方式。但是，由于太 陽光隨著距離的增加而減弱，因此太陽“帆船”在遠離太陽后將無 法繼續前進。 同太陽光相比，聚焦的激光束能夠將“帆船”推至阿爾法人馬座恆 星系甚至更遠，原因在于激光束不會像陽光那樣隨著距離的增加出 現發散和減弱。根據福沃德的理念，弗里斯比描繪出人類飛向巨蠍 座55星恆星的旅行方案。他采用600英里寬的鋁制薄膜“帆”推動 的宇宙飛船，旅行艙設在“帆”的中間。架設在地球軌道或月球表 面的激光器產生的高能激光束經過一面反射鏡聚焦在飛船的“帆” 上推動飛船。激光器將工作數年，保証飛船達到其巡航速度。然后 在飛船抵達目的地前數年重新開始工作，以幫助飛船降低速度。 金屬鋁的熔點為華氏1220度，弗里斯比提出大尺寸“帆”的設想是 為了解決“帆”自身的散熱問題，“帆”過熱由高能激光束所引起 。如果計划在太空組裝飛船“帆”，那么應采用更輕便、更富有彈 性的材料。NASA格倫研究中心的杰弗里﹒蘭迪斯正在研究采用金 屬鈮（熔點為華氏4490度）或鑽石（在華氏3270度時斷裂成石墨） 制作的薄膜。高溫材料能夠承受光斑更小但能量密度更高的激光束 的照射。鑽石“帆”具有與弗里斯比的鋁“帆”相同的功能，但它 對飛船的加速更快，可以縮短星際旅行時間。 如果激光束用來幫助人類飛向巨蠍座55星，那么激光器的輸出功率 將大得令人不可思議。根據弗里斯比的估算，推動飛船所需的激光 器穩定能量輸出應達17000萬億瓦特。要實現如此巨大的能量輸出 ，弗里斯比提出利用特殊裝置集聚太陽能來泵浦激光器，也就是說 激光器在太陽的作用下產生會聚的、相干性高能光束。實際上，美 國芝加哥大學的物理學家已展示了一種新系統，它能將普通光的密 度提高84000倍。 如果掌握了激光帆技朮，那么人類再也不用擔心遠距離飛行的燃料 問題。此外，通過精巧的設計，當飛船到達目的地時，帶有旅行艙 的“帆”的中間部分將與“帆”脫離，失去中間部分的“帆”將激 光束聚焦在旅行艙上，幫助它減速。根據弗里斯比的研究，激光“ 帆”飛船在不到10年的飛行時間內，其速度就可達到光速的一半。 如果采用直徑為200英里的激光“帆”，我們可以在12年半的時間內 抵達阿爾法人馬座﹔采用600英里寬的激光帆，與巨蠍座55星中類似 地球的行星相會也只需86年。 |
聚變沖壓式噴氣發動機
理想的宇宙飛船應該同時具有激光帆和火箭的優點，這樣，宇航員
能操縱它隨意飛行，同時又不必考慮攜帶和補充燃料的問題。
1960年，物理學家羅伯特﹒巴薩德提出的技朮設想就能夠滿足如此
苛刻的要求。他將自己的技朮稱為聚變沖壓式噴氣發動機。該發動
機利用強大磁鐵形成了直徑巨大的磁漏斗，磁漏斗的作用是將星際
旅行中沿途的氫收集起來作為飛船核聚變反應堆的燃料。沒有燃料
負載的飛船在聚變沖壓式噴氣發動機的推動下，能以接近光速的速
度在宇宙中自由穿梭。
弗里斯比對聚變沖壓式噴氣發動機技朮持十分謹慎的態度，認為這
個概念現在還不成熟。此外，采用該技朮的飛船在飛行速度不足光
速的4％時，其情況同聚變火箭相當。速度進一步提高后，飛船的
磁漏斗才能給反應堆提供足夠的燃料。弗里斯比推斷，采用聚變沖
壓式噴氣發動機的飛船飛至阿爾法人馬座和巨蠍座55星各需25年和
90年。
聚變沖壓式噴氣發動機飛船存在著兩個明顯的問題。問題之一是聚
變燃料在飛船的前方堆積會產生阻力降低飛船的速度，在星球密度
比較高的區域，飛船也許會因摩擦而出現接近停滯不前的狀況。事
實上，宇航工程師羅伯特﹒朱布林曾建議利用類似的磁場作為星際
旅行飛船的制動器，這樣既能讓飛船減速，同時又能節約燃料。問
題之二是現在聚變試驗反應使用的氘和氚在太空中十分稀少，雖然
普通氫的含量較高，但還沒有人知道如何讓它發生核反應。
應該看到，雖然人類進行星際旅行最重要的是解決交通工具問題，
根據弗里斯比的描述，我們似乎看到了人類走出太陽系的希望。不
過，人類征服宇宙的道路還很漫長，在這條漫長的道路上還有許多
問題，如宇航員生存和生活問題，在長達40多年的飛行中，他們的
食物、氧氣和水，以及他們的心理健康都是需要進行周密研究的課
題。
願人類早日圓了自己走出太陽系，實現星際旅行的夢想。
編輯： 陳騫 來源： 科技日報