來源：癮科技電子報

2009年3月6日

由 Andy Yang 發表 在科幻小說裡，人類是註定要上太空的，無論是因為地球的生存空間 不夠，還是人類內心深處的那種探索未知的欲望。然而現實世界的人 類只能勉強到月球上而已，而且近四十年來都沒有再回去過，只能在 離地數百公里的近地軌道中徘徊，但如果這個系列告訴了我們什麼的 話，那就是科幻小說差不多是世上最準的預言書了，因此小薑並不懷 疑人類會有「Boldly go where no one has gone before」的一天。 打造一艘太空船對現在的科技來說挑戰還是太多了，從動力系統，到 維生，到通訊，到乘客的生理心理健康，有非常多的面向可以討論， 但小薑準備把重點放在動力系統上，因為相較之下其他的都還算好解 決，或甚至可以說動力系統如果夠好的話，其他幾樣的相對負擔就會 低得多（想像一下飛機上和船上的乘客對食物的需求量）。目前人類 已經掌握技術和理論上可行，但尚未掌握的推進技術有許多種，但在 談這些技術前，小薑想先分析一下從地球到宇宙的盡頭，所需要的四 種不同的太空船： 第 一種（I），是爬出地球的重力井，進入宇宙所要用的太空船，也 是目前大部份在用的太空船。這個部份要求的是強大的瞬間爆發力， 將飛行載具加速到地球的脫逃速率。技術上，目前的主流是化學能的 火箭 -- 無論是從地面直接發射，還是靠飛機 帶到大氣層上緣，再 用火箭飛完剩餘的部份 -- 但用化學能不僅危險（基本上就是把自已 綁在顆大炸彈上），而且準備這些燃料在資源上是很大的浪費。但這 部份是非做不可的，只有當人類在外太空建立了橋頭堡之後，才有可 能從比較淺的重力井中獲得進一步發展的原料。目前聽起來化學能火 箭最可行的替代方案有兩個，一個是太空電梯，另一個是電磁炮。 第二種（II），是在太陽系內使用的太空船。短時間的爆發力在這裡 幫助不大，這種太空船需要有一定的速度，但也不須要太高。雖然化 學能在這裡是能使用的，但在初始的加速後，接下來大部份的時間太 空船都在定速滑行，並不是很有效率。現行的技術前往太陽系各處都 要數年到十數年的時間不等，但隨著科技的進步，希望這個數字可以 降低到數周，最多不超過數個月。 第三種（III），是前往鄰近的星球。這類的太空船動力最好是要能 持續提供的，以維持固定的加速，而且太空船本身還要有減速的能力 ，並在抵達目的地之後，還要能回頭。 第四種（IV），是星際旅行，直到宇宙的盡頭。這種就無所謂了，引 擎開到底，衝吧！ 史上最大的兩架化學能火箭 -- 阿波羅計畫的 Saturn V 史上最大的兩架化學能火箭--蘇聯的 N-1。四次 N-1 發射皆失敗。 化學能太空船（I、II）- 是目前絕大部份太空船的動力源，主要是 靠化學反應產生的爆炸的反作用力，推動太空船飛行。化學能太空船 最大的缺點，就是每單位質量產生的推力（稱為 Specific Impulse） 並不高，看起來兇猛，但一下子就燒光了。所以化學能太空船相當適 合作為逃脫地球重力井的手段（短時間內須要大量的加速度），在太 陽系中也算是有用，但要靠化學能太空船進行星際旅行，卻是力有未 逮了。 美國海軍試射電磁炮 電磁炮（I、II）- 電磁炮靠強大的電磁鐵加速物體，被加速物體的 速度理論上是沒有上限的，只要有能量，和一根很長的炮管，就能將 太空船加速到可以脫離地心引力的程度，然後直接射上太空，或是建 在太空中，直接將太空船射向目的地的星球。這種方式的最大問題， 就是加速度會非常猛，可能有上百 G 之譜 -- 快是快沒錯，但沒有 多少東西能撐得過這麼高的加速度吧？人類是肯定不行的 :p。因為 電磁炮只有在炮管中的那一段短短的時間有加速度，離開之後就是定 速飛行，所以不適合星際旅行。 不怎麼清楚的離子推進器影片（畢竟是 98 年拍的） 離子推進器（II） -離子推進器已經研發了許久，是一種低推力，但 高效率的引擎，一啟動之後（如果燃料足夠的話）可以持續提供推力 數年之久，因此適合太陽系內的長途旅行。離子推進器有很多種，但 基本上的原理，是先將攜帶的燃料（目前最多的是氙氣）離子化，再 靠著產生出來的電磁場，將這個離子從引擎後方推出去，產生動力。 離子推進器除了燃料攜帶有限之外，將燃料離子化的過程也需要相當 程度的能量。在太陽系內離子化燃料的能量可以來自於太陽能板，但 長途星際旅行的話，太空船還必須要攜帶這部份所需的燃料，因此離 子引擎也不適合星際旅行。 Deep Space 1 太陽帆張開的假想影片 太陽帆（II、III）-太陽帆是在太空中張開一面大鋁箔當作「帆」來 提供動力的技術。很多人都以為太陽帆是以太陽風為動力的，其實不 然。太陽風（由太陽上層吹出的電漿）的確是能推動太空船，但和太 陽帆真正的動力源 -- 陽光的幅射壓 --相比，只有其 1/5000，因此 太陽帆主要的動力源就是陽光。太陽帆太空船不需要自帶燃料，因此 雖然幅射壓提供的推力不大，還是足以推動小型的太空船，可惜距離 太陽愈遠，幅射壓就愈弱，因此單純的太陽帆只適合在太陽系內使用 。想用太陽帆做星際旅行的話，有科學提出可以在太空中建造巨型的 鐳射光陣列，由巨型的太陽能板提供能源。如此一來旅行中的太空船 就有了持續的動力源，據估計可以如此加速到1/3 光速之譜。唯一的 問題，就是太空船的回程要靠在目的地建立另一組鐳射才行，麻煩啊 ！ Cosmos 1 核子脈衝動力（III）- 或應該叫它「核彈動力」才對？這種推進方 式，是在太空船後方引爆迷你核彈，太空船再「騎」著爆炸產生的震 波向前加速。這種太空船的想法很好，同時擁有高推力和高Specific Impulse，但核彈？這兩個字一出現，就註定了核子脈衝動力火箭很 難有成真的一天。不過科學家還是不排除以核子脈衝動力火箭作為星 際太空船動力的可能性，理論上可以將直徑400m，質量8,000,000 噸 的太空船推到 1/10光速 --在這種速度下，到最近的星球大約要44年 。Carl Sagan 認為，這是個消耗人類核彈庫存的好辦法 XD。 Project Orion 反物質引擎（II、III、IV）-人類目前還沒有掌握反物質火箭的技術 --嚴格來說，人類手上連反物質也沒有幾顆，但反無質無敵高的能量 密度，讓反物質成為相當誘人的發展方向。在合理的能源利用效率下 ，據信 4mg（千分之四克）的反物質就足以將太空船在數週內送到火 星，但問題是依現有的技術生產起反物質實在太困難了，要有足夠的 產量供太空船常態使用，還有很長一段路要走。 巴薩德衝壓引擎（III、IV）-巴薩德衝壓引擎的想法，是利用一個巨 型的電磁場「網」收集太空中的氫氣，再將這些氫氣進行核融合反應 ，產生動力。當然這樣的描述是過於簡單了，但基本上收集的氫氣量 （既產生的動力）足不足夠是關鍵，如果能維持 1G 的加速度的話（ 順便產生人工重力），一年就能加速到 77% 光速。不過這東西還很 遙遠，畢竟人類連核融合的技術都還沒掌握呢 XD。 Bussard Ramjet 曲速引擎（Alcubierre Drive）-這大概是少數科幻能直接跟科學結合 在一起的例子吧XD。墨西哥物理學家Miguel Alcubierre 從Star Trek 中獲得靈感，想用數學的方式試試看 Star Trek 中的曲速引擎（Warp Drive）是不是真的可行的，結果還真的在 1994 年被他算出了一個 不違反現在物理定律的解來。簡單來說，Alcubierre Drive 是在太空 船的周圍形成一個扭曲空間的泡泡，以壓縮泡泡前方的空間，同時拉 長泡泡後面的空間以達到移動的效果。理論上這樣的系統是可以超光 速的，但是如果產生出這樣的一個泡泡目前還未知。有一說是建立這 樣的引擎須要「奇異物質」、有一說進了泡泡內的物質永遠都出不來 ，也有一說是需要一個曲速泡泡才能產生一個曲速泡泡（即現實中這 是辦不到的）。無論如何，這都是個非常理論性的太空航行方式，但 好想要它實現啊 XD。 Alcubierre Drive Tags: column-andy, column-andy-science