最近,人类史上第二艘太阳帆航天器——光帆二号,在近地轨道空间成功演示,再次激起人们「出征大海星辰」的道道雄心。到底哪种星际飞船,最有可能率先实现星际远航?
每当我们形容某些事物速度极快的时候,往往都会拿火箭来比喻——XXX就跟火箭速度一样……
事实上,一般运载火箭入轨速度为7.6公里/秒,最高可达10.8公里/秒,这一速度至少是高尔夫球开杆速度的126倍,至少是出膛子弹速度的7倍,至少是人类最快飞机北美X-15火箭动力飞机的3.7倍……
但跟光速相比,却慢如龟速。毕竟人类面对的常常是以光年为跨度的宇宙尺度。要知道人类在太空中的活动空间是多么渺小。
作为目前飞得最远的人类飞行器——旅行者1号,截至今天,2019年8月2日距离我们地球146AU,光行时间超过20个小时,但跟一光年(946× 10^10公里)相比起来,只是0.2%!要知道旅行者1号可是已经整整飞行了41年➕10个月➕26天!
所以呢,突破现有人造飞行器速度,可以说是N代人追求的梦想。
正如宇航动力学家论断,目前化学动力火箭差不多要被榨干了,速度也几乎要到头了,唯有跳出现有化学动力推进,才能实现科幻级的宇航速度。
以下我们就来盘点一下,比较接近现实、比较靠谱的几种未来星际飞船,及其背后的超级推进技术。
光帆LIGHTSAIL也叫太阳帆,采用巨大的薄膜镜片,以太阳光的辐射压作为飞船推进力。光帆的概念最早是由德国天文学家开普勒在17世纪提出的。
2010年,日本发射了测试版宇宙探测器IKAROS。IKAROS全称「依靠太阳辐射加速的星际风筝」(也指希腊神话悲剧人物伊卡洛斯,使用蜡制飞行翼飞向太阳,结果落水丧生),由日本宇航研究开发机构JAXA开发,是世界第一个以太阳帆为动力的探测器。
最近,光帆二号成功演示了太阳帆推进技术。6月25日由SpaceX重鹰火箭发射,7月24日成功展开32平方米太阳帆,一周后资助该项目的美国行星协会宣布:光帆二号成为首个采用光帆动力在地球轨道飞行的航天器;这是继日本2010年发射伊卡洛斯号光帆后,史上第二艘光帆航天器。
目前行星协会公布的数据显示,光帆二号运行在705至725公里的低轨道,轨道速度约为7.48公里/秒,每天轨道爬升几百米至900米,4天内远地点高度提升了1.7公里。
热核动力飞船THERMONUCLEAR PROPULSION热核动力宇宙飞船的概念,早在1973年就已开始被全世界最老牌的太空探索研究机构——行星学会,正式立项研究。推进原理其实跟我们太阳燃烧差不多,都是利用热核聚变产生巨能。
热核聚变具有诸多优势:①燃料氢(氘)是宇宙中最丰富的元素,是裂变燃料(铀233,铀235、钚239)含量的10^10倍;②聚变产生粒子很容易屏蔽,更安全、更环保,纯聚变反应也更便宜、更高效。
▲这是NASA与BWXT(弗吉尼亚能量技术公司)联手开发的双峰热核动力火箭概念图。
热核动力的关键就在于可控核聚变技术,目前主要有三种:激光约束(惯性约束)核聚变、磁约束核聚变(托卡马克式)、超声波核聚变。
激光约束和磁约束是主要方向,美国能源部侧重激光约束来研制核聚变。
中国、欧盟、美国、日本、俄罗斯等联手投资160亿欧元,创建全球最大实验性磁约束核聚变反应堆ITER,主攻磁约束。
根据行星学会研究报告,人类一旦掌握热核动力火箭技术,采用氘燃料每秒每吨可产生3000吨推力,能够达到每秒1万公里的宇航速度,这是光速的1/30,人类梦寐以求的近光速。
激光飞船 LASER PLASMA PROPULSION激光飞船,又称脉冲激光推进宇宙飞船,就是采用快速重复的高能脉冲激光束来加热推进剂,也就是说工作介质不是被稳定地加热,而是产生一系列巨大的脉冲冲击波。当推进剂流动到激光聚焦区域时,会迅速升温,发生电离,成为高温等离子体迅速膨胀,形成激光冲击波,然后冲击波从超音速喷管中喷出,产生推力。
据悉,激光飞船技术一旦成熟后,其速度理论值约为光速1%,即每秒3000公里。
这一技术早在20世纪70年代美苏开始研发。最新突破是在2000年,美国光船技术公司将直径为12.2厘米、重50克的激光飞船原型机发射到71米高度,飞行12.7秒。
这是迄今为止飞行时间最长、飞行高度最高、飞船重量最重的激光飞船记录,意义相当于当年莱特兄弟第一次驾驶飞机飞上蓝天。
星际气体冲压动力飞船BUSSARD RAMJET又称巴萨德冲压动力飞船,是1960年代美国物理学家巴萨德构想出来的一种未来宇航推进技术。
这种推进器是一种核聚变冲压发动机,利用巨大的电磁场(上万平方公里)作为漏斗,收集、压缩星际物质中的氢(因为构成宇宙普通物质75%都是氢),直到足以发生核聚变,从而透过反作用力推进飞船前进。
根据巴萨德推导得出,这种星际气体冲压动力飞船的最大推进速度不会超过100公里/秒。尽管飞行速度并不快,但续航能力超长超赞,所以适合恒星际飞行。
电磁驱动飞船EmDrive电磁驱动原理,1999年最早由英国工程师罗杰·索耶提出。
电磁驱动的原理是这样子的:在一个没有尖顶的锥形腔体内,通过太阳能供电产生大量电磁微波,在锥形腔体里形成高密度地来回反射,利用锥形腔体两端粗细不等形成的推力差,由此产生巨大推力,进而推进飞行器飞行。这相当于在封闭容器里产生推进力,却不需要任何化学燃料推进剂,学名无工质驱动。
据称,就在2016年12月10日,中国空间技术研究院公布了一项令人热血沸腾的科研成果:电磁驱动技术已在天宫二号里成功测试,这就意味着这项神驱动技术的原理验证不仅可行可靠,而且将尽快研发,首先实际应用在卫星推进驱动上。
要知道,这一技术NASA已经研发了10年,跟NASA进行电磁驱动技术绑定的美国Cannae Drive公司,计划要等到2018年发射一颗6U立方体卫星,才能进行太空验证。中国在此很可能领先于美国技术,率先制造出神级发动机——电磁驱动宇航推进器。
反物质飞船ANTIMATTER物质与反物质相遇发生湮灭,质量可以完全转换成能量,从而获得最大的能源效率。据计算,反物质发动机的单位产量,是常规燃料的亿兆倍/核能的千百倍,所以,反物质驱动,一直是人们梦寐以求的神级推进技术。
但由于目前人为制造反物质的方式,只能依靠加速粒子打击固定靶产生反粒子,再减速合成。这一过程所需要的能量远大于湮灭作用所放出的能量,而且生成反物质的速率极低,因此尚不具有经济价值。此外,反物质与物质相遇会发生湮灭,保存上也是一大问题。
不过,反物质发动机从未中断过研发,最近曾任职于费米实验室的美国物理学家拉尔德·杰克逊,发明一种反冲式起动机正在测试反物质推进器。
除此之外,还有一些科研人员正在研究更为科幻的飞船推进技术,比如空间曲率驱动飞船。
就像《星际迷航》里的曲速引擎Warp drive、《三体》里的曲率引擎那样,这种飞船通过让前方空间收缩而后方空间扩张的方式,极速移动。看起来太玄,但理论上可行,因为完全遵守爱因斯坦场方程建立起的一套时空度规。
——以上这些堪称科幻级的神技术,不管哪一种一旦获得突破性成功,会意味着什么呢?
以我本人的理解,这将会带来人类文明的第二次文艺复兴,人类社会的彻底飞跃。
因为从近到眼前——全球能源问题,远到未来——太空移民和星际殖民,本质上都需要一场彻底的能源革命,只有根本性升级现有能源技术、宇航动力技术才能现实,而搭载未来技术的这些飞船,正是人类最有希望够得着的尖端科技。
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