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弯曲时空、引力弹弓……我们如何实现宇宙航行?

弯曲时空、引力弹弓……我们如何实现宇宙航行?

弯曲时空、引力弹弓……我们如何实现宇宙航行?

“我们的征途是星辰大海”——这句话是如此地鼓舞人心,仿佛我们都是宇宙的水手,等待着探索新世界的启航号角。  没错,我们身体里的金属元素都来自于恒星的中心,从某种意义上来说,我们都是属于宇宙深空的孩子。  在神舟十一号太空飞船即将发射之际,就让我们以科幻作品为引,从现实中的物理出发,来看看那些奇妙的宇宙航行方法吧!  传统火箭引擎——化学引擎  为了能够前进,我们必须向着运动的相反方向掷出一定的质量,这些投掷出去的东西叫做“工质”。工质推进是目前帮助我们摆脱重力束缚、迈出离开地球母亲怀抱第一步的不可缺少方式。  和喷气式飞机类似,运载火箭也是通过喷出高速气体来获得动力。不同的是,在大气层内飞行的飞机可以通过发动机源源不断地压缩进气道吸入的空气来获得推力,而对于运载火箭,这些空气就有些捉襟见肘,很难产生足够的推力,更不要说我们要去的可是接近真空的外太空了。因此,为了挣脱地球的引力,运载火箭都装载着巨量的燃料和助燃剂,这些燃料燃烧所产生的大量气体经过超音速喷嘴排出,就能推动火箭直冲云霄,将飞船送上太空轨道。  图1. 火箭引擎的原理图,燃料在燃烧室中燃烧后由喷管喷出从而产生推力。来自于维基百科英文页面  火箭引擎中,化学引擎这种上古的方式在科幻作品中虽然已经被各自炫酷引擎挤压得生存空间愈发狭小,但是却仍然顽强地占据着一席之地,谁让它是经典呢?每一次的点火,伴随着升腾起的火焰和烟雾,那昂然升空的火箭总能激起我们探索未知的无尽斗志。  图2. 《安德的游戏》剧照,升空中的运输火箭。化学引擎释放出灼热尾焰,同时伴随着巨大的烟雾  图3. 运载天宫二号的长征二号F火箭点火升空时的壮观景象,充满了力拔千钧地气势。照片来自新华网。  化学燃料虽然效果拔群,但是缺点也十分明显。一个最大的问题就是“又大又重”。“大”是说燃料和助燃剂占的总体积大,“重”是因为这会让火箭变得更沉。这就形成了一个两难的局面——为了飞得更高更远,燃料就需要更多,但是这反过来又让火箭变得更沉,也越耗费燃料。  现实当中,人类至今推力最大的运载火箭是土星五号(Saturn V),当年它为了将总重量约50吨的阿波罗飞船(Apollo)送入月球轨道,必须携带2721吨重的燃料及助燃剂,这些重量足足可以填满数个标准尺寸的游泳池。相比之下,火箭各推进级的净重只有178吨。所以,别看现实中的火箭都是圆柱状,各部分的重量可都是经过细细考量的。  离子推进和核能引擎  化学引擎送我们脱离行星引力到达宇宙空间,可远星还在召唤我们呢。这时再靠着化学燃料来实现飞船的大规模加速和减速就很不划算了。这就好像开着一辆堪称“油老虎”的跑车,想要来个横跨大陆的旅行却又只能依靠小小的油箱,又如何能够享受风驰电掣的爽快?  为了解决有限燃料情况下的长距离加速和减速问题,航天器就需要更高比冲的发动机。这里的比冲是个专有名词,《军事大辞海》中给出的定义是“单位流量推进剂(燃料)产生的推力,或单位重量推进剂产生的冲量”。简而言之,在携带同样质量的推进剂的前提下,比冲越大,推进剂使用的效率就越高。于是,离子引擎和核引擎当仁不让地站到了台前。  离子引擎和传统火箭引擎相似,只是将燃烧室换成了电离室,将喷出的气体换成了经过电离的推进剂,在电磁场作用下,将电离之后的离子约束并高速喷出。因为离子引擎比冲高的优势,携带较少的推进剂就可以获得可观的加速效果。图4. 离子推进原理示意图,看上去是不是和火箭引擎很像?来自于维基百科英文页面  在去年热映的电影《火星救援》(The Martian)里,赫尔墨斯号(Hermes)飞船在前期使用化学燃料推进到达火星转移轨道之后就改由先进的离子发动机来加速,通过以超高速将氩原子向后抛射获得飞船整体的微小加速度,让飞船最终达到相当的速度,于是只花费了124天时间就到达了火星。  图5. 赫尔墨斯号火星飞船。作为一艘远距离航行飞船却没有体积巨大的燃料舱,离子发动机功不可没。  不过这里也说出了离子发动机的弱点。那就是推力还不够大,要想获得大的加速,需要牺牲空间和时间,通过长距离的持续加速来换取最终的高速。  现实之中,离子引擎已经不再是幻想,1998年发射升空的美国宇航局探测器深空一号(Deep Space 1)就是人类历史上第一艘使用这种推进方式的飞船,它在宇宙航行过程中虽然遭遇到一些技术问题,但是仍然成功地对包瑞丽彗星(Comet Borrelly)进行了探测。  图6. 深空一号的艺术效果图。作者Don Foley,来自喷气推进实验室(JPL)网站。  图7. 安装在深空一号上的2.3 kW离子推进器试车照片,可以看见美丽的浅蓝色离子焰。来自于维基百科英文页面  除了离子引擎,被无数科幻作品所青睐的还有核动力引擎。  自从人类发现核能以来,核动力引擎就慢慢取代了普通火箭引擎成为科幻世界中高科技时代的“常规动力”。核反应的巨大能量有目共睹,通过核能来加热加速推进剂比直接一把火烧掉要经济得多。从某种意义上来说,核引擎算是通过电磁场来实现推进剂加速的离子引擎的升级版本。  现实中,科学的不断进步不断给予科幻作家以新的灵感,科幻小说里面关于核引擎的设定也越来越仔细、越来越完备。从早期的模糊的“核引擎”到具体的“核聚变引擎”,两个字的增加,就让宇宙水手们把小太阳装在了自己的船上。  相比传统引擎,核聚变引擎可谓是优势满满。除了十分可观的比冲外,引擎的燃料——氢和它的同位素氘是这个宇宙中最不缺乏的资源之一了,不论是边飞边从宇宙空间收集还是到大型气态行星大快朵颐一餐都能解决燃料的问题。  图8. 来自于《2001太空漫游》的核动力飞船“探索者1号”,拥有球状的乘员舱和尾部巨大的核能引擎舱。  但是,别看核动力的单人小艇在未来世界里都已经见惯不怪,但核能引擎在现实中却依然没能实现。受限于物理学和材料学,目前的受控核聚变还不能够随心所欲释放能量,探测器上能够称得上核能的也只是小小的同位素电池或是加热器。  不过,核能发动机的梦想总是要有的,万一哪一天实现了呢?  扬帆远航——光帆  15世纪开始,人类进入大航海时代,帆船成了挑战未知的远航之心的象征。而在宇宙大航海时代,太阳帆飞船,或者叫做光帆飞船就可以算是这里最接近传统帆船形象的飞行器了。  下雨天,当我们打着伞走在雨中的时候,握着伞柄的手能够源源不断地感受到打在伞面上的雨滴所带来的压力。类似地,不论是光还是粒子,它们打在光帆之上也会产生一定的压力。飞船就如同浴在光子或是辐射粒子“风”里的“帆船”一样,在这压力推动下不断前进。  古典帆船不需要螺旋桨,只要有风就能航行,光帆飞船亦只需要“粒子风”。这意味着一个巨大的优势:可以去掉推进剂和引擎,从外部提供动力,让飞船本身的重量得到极大的削减。  在刘慈欣的科幻作品《三体》之中,为了向一光年外正在往地球进发的三体舰队发射一颗能够尽快到达的飞行器,彼时的人类提出了一个“阶梯计划”。这个计划中的飞行器便是拥有着巨大辐射帆的光帆飞船,通过依次引爆在预定飞行轨道上从地球到木星轨道之间的近千枚核弹,利用其爆炸产生的辐射作用于光帆带来持续的加速,最终使追求极致轻量化的飞船达到了光速的百分之一。  可喜的是,光帆飞船现在已经不再是纸面上的设定,而慢慢走向了现实中切实可行的方案。日本航空研究开发机构(JAXA)在2010年发射的伊卡洛斯号(IKAROS)飞船已经成功验证了将光帆作为唯一推进方式的可行性。  伊卡洛斯飞船有着厚度为7.5微米,面积为196平方米的复合材料帆,而这种帆每平米的质量仅仅有10克。到2015年转入休眠状态为止,正是凭借着操纵这面巨大又轻盈的帆,伊卡洛斯号平安地运行到了距地球1.1亿公里、据太阳1.3亿公里处。  图9. 伊卡洛斯号光帆验证飞行器艺术图,可以清楚看到巨大的方形合成材料帆。来自日本航空研究开发机构网站。  利用空间——引力弹弓和曲速航行  爱因斯坦的广义相对论指出,大质量的物体可以让它周围的空间发生弯曲。如果把行星或恒星等大质量物体比作金属球,宇宙空间比作橡皮膜,压在一张平整橡皮膜上的金属球会产生一个凹陷。假如这时候有个小球向着这颗金属球而去,这个小球的运动轨迹会弯曲,小球在滚向凹陷的过程中也会不断地加速。这正是“引力弹弓”的基本原理——空间探测器从行星旁绕过时受行星的引力作用,运动速率增大。  在电影《星际穿越》中,宇航员库珀最后操纵着破损的永续号(Endurance)就是孤注一掷,通过黑洞“巨人”(Gargantua)的引力弹弓作用,让宇航员艾米莉亚得以逃生。而《火星救援》里,为了救助被困火星的马克·沃特尼,赫尔墨斯号则是利用地球的引力弹弓效应,最大限度地节约了时间,才能够在匆匆补给之后快速返回火星。图10. 《星际穿越》里的飞船永续号(Endurance)  回到我们的时代,1977年9月5日发射的旅行者号探测器就是经过木星和土星这两个太阳系大块头行星的引力加速才获得了足以脱离太阳引力控制的动能,并在2013年9月12号被美国宇航局正式宣布已经脱离了太阳系,继续向着无人深空进发。  而土星探测器卡西尼号(Cassini)探测器在重达3吨,现有推进技术不足以将其直接送达土星的情况下,正是靠着在6.7年里两次飞掠金星,之后又途经地球、木星,借助它们的引力加速,最终才能够顺利抵达目的地。  图11. 卡西尼号探测器的运行轨迹示意图,反复经过了多次行星引力加速才得以到达土星。来自美国宇航局网站。  如果说引力弹弓是利用了这个宇宙中的天然“地形起伏”的话,那么曲速航行就是人类移山填海,主动出击了。这里的“曲速航行”,或者叫做曲率航行、翘曲空间,本质上就是对空间的主动弯曲。图12. 《哆啦A梦——大雄的宇宙开拓史》节选  这段选自漫画《哆啦A梦——大雄的宇宙开拓史》的片段简洁又形象地描绘了何为弯曲空间——通过一定手段让空间“折叠”,把本来相隔很远的两个点拉近。  这种方法优雅而高效:没有燃烧,无需喷射,快速便捷——常规的宇宙飞行在它面前慢如蜗牛。同时,这种对空间的主动干预让人有一种主人一般的感受,仿佛自己不再是渺小脆弱的生命体,而是无限空间之王。  图13. 《星际迷航——下一代》剧集中的联邦星舰进取号(Star Ship Enterprise)。拥有前端盘子一样的碟形部和后端形似一双筷子的曲速引擎舱。  科幻电影中,刚刚迎来50周年的美国科幻巨作《星际迷航》中的进取号星舰就是由曲速引擎来驱动的。经由正反物质湮灭所释放的巨大能量产生曲速场,并进一步改变曲速场周围空间的结构,让飞船进入曲速航行,也就是仿佛乘上空间的波浪,被空间波动推着前进。进入曲速航行之后,飞船被曲速泡所包围,曲速泡内部的空间未被扭曲,飞船相对于曲速泡而言是在做亚光速飞行,但是曲速泡本身相对于宇宙空间的运动却可以超过光速。  在星际迷航的世界里,公元2063年进行的人类历史上第一次成功的曲速一级(光速的一倍)航行让地球人被宇宙中另外的智慧生命——瓦肯人所感知并与之接触,由此掀开了波澜壮阔的星际传奇。  图14. 星际迷航中涉及的曲速航行原理图,通过产生不均衡的曲速场,让空间来“推着”飞船向着不同方向运动。来自于官方技术手册《Star Trek the Next Generation Technical Manual》。  图15. 星际迷航电影中所表现的曲速泡和其中的进取号。周围的光因为空间扭曲而改变。  可惜的是,这个诱人的方法现在依然没有实现,我们现在还没能找到人工弯曲空间的有效方法,曲速飞船也依然是一个美好地概念。但是这个概念又是如此地诱人,因为这种方法能够实现真正意义上的空间压缩,极大地缩短旅行的时间,让行星际间甚至于星系之间的旅行成为现实。  正如现在高铁已经能够消弭我们过去的万水千山重重阻隔,未来的“星际高铁网”就等待着用曲速航行技术来搭建了。  致无尽的想象  科幻作品中最重要的一个元素就是想象力。  最后就让我们摆脱种种制约,释放想象,一起来看看这个宇宙中的奇葩——“黄金之心”号(Heart of Gold)飞船。  它源自于英国科幻作家道格拉斯·亚当斯的《银河系漫游指南》,它的动力可谓是前无古人、后无来者:无限非概率驱动器(Improbability Drive)。  当无限非概率驱动器到达无限非概率状态时,它可以在任何可能的宇宙中穿越任何可能的两个点,这意味着你能够瞬间跨越哪怕是最远的星球间的距离,也意味着你永远不知道你下一个时刻会出现在什么地方,甚至于也无法知道再次出现的时候你是什么。毛线团、玫瑰花、柠檬、或是小黄鸭,一切皆有可能。  当然了,作者自己也说这古怪玩意儿“不太可能”了,谁让这驱动器名字直译过来就是“不太可能驱动器”呢。  图16. 《银河系漫游指南》电影中启动驱动器之后飞船变成了一个大毛线团,所有成员也变成了毛线人。  图17. 电影中刚刚从一朵花回到正常状态的“黄金之心”号。  就如同那些往日科幻里大胆瑰丽的想象很多都已经成真一样,今日的科幻也许就是明日的现实。在这个日新月异的时代,就让我们翘首以待,迎接宇宙大航海时代的到来吧!

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