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怎样飞出太阳系?

2021-07-29 10:32:16 496 字数:2103字 太阳系

  太阳系的半径为10万~20万个天文单位,也就是15万亿~30万亿千米。若飞船的飞行速度大于第三宇宙速度,假设能达到20千米/秒,那么,飞船飞出太阳系边界的时间,约需2.4万~4.8万年。因此,人类一直在探索飞出太阳系的新技术。

  常规火箭使用化学燃料推进,能量密度低,用于太阳系空间八大行星的飞行尚可,飞出太阳系则不现实。因为飞船即使抵达了海王星,也只飞到了太阳系半径的1/1000.所以,要想挣脱太阳系的引力束缚,得使用更强大而持久的推进能源才行。

  早在20世纪初,得知居里夫人提炼出放射性元素镭之后,俄国科学家齐奥尔科夫斯基就预言:“一吨重的火箭只要用一小撮镭,就足以挣断与太阳系的一切引力联系。”

  20世纪50年代,核动力船舶、核动力飞机等技术设想层出不穷。大胆的科学家把目光投向了大国逐渐膨胀的核武库,他们设想以核弹为动力,推动火箭飞向深空。

  核火箭的技术论证最早出自参与美国曼哈顿工程的乌拉姆和霍夫曼。其原理是使一颗颗小型原子弹在火箭尾部相继爆炸,产生的反作用力可推动火箭前进。1958年,美国核科学家泰勒在此基础上提出了猎户座计划。按照泰勒的计算,在大气层外连续爆炸50颗2000吨TNT当量的原子弹,可将火箭速度提升至70千米/秒。这种火箭可以用来发射大型载人行星际飞船,用125天飞到火星,用3年时间飞到土星。1963年签署的《禁止在大气层和外层空间进行核试验条约》从法理上禁止了任何在大气层内点燃的核火箭。1965年,猎户座计划终止。科学家的兴趣转向了能量更大、辐射更少的核聚变火箭。

  代达罗斯计划是最著名的核聚变火箭方案。这是英国星际学会在1973—1978年开展的研究计划。该计划设想使用核聚变火箭推进无人飞船,在一代人的有生之年内抵达另一个恒星系统,进行快速探测。距地球5.9光年的巴纳德星被选为该计划的目的地。

  “代达罗斯”核聚变飞船的核心构造是被磁场约束的燃烧室。按照设计,每秒钟向燃烧室注入250颗由氘和氦-3构成的核燃料小球。在第一颗核燃料小球射入的时候,分布于燃烧室内腔的几十个电子束发生器射出电子束,轰击核燃料小球,使其发生聚变反应,瞬间产生高温等离子体,被磁场导出的等离子体可推动火箭高速向前飞行。第一级火箭工作2年后会自动脱落,第二级火箭继续工作1.8年,把飞船加速到36000千米/秒的最终速度(相当于光速的12%)。然后飞船将在茫茫太空中依靠惯性飞行46年,最后到达目的地。

  设计中的“代达罗斯”飞船质量达5.5万吨,相当于“尼米兹”级核动力航空母舰的一半,长度达到190米。因为过于庞大,无法一次发射入太空,只能在近地轨道上利用微重力环境组装。

  直到今天,“代达罗斯”飞船所需要的大量核心技术仍是纸上谈兵。目前尚未造出可控核聚变发动机,在近地轨道上建造组装几万吨的航天器也近乎天方夜谭。与之相比,只有400多吨的“国际空间站”就花费了十几年时间进行组装建设。

  太阳无时无刻不在释放光和热,它是太阳系中最大的能量宝库。可否借助太阳的力量进行航天飞行呢?

  400多年前,开普勒就提出了利用帆船来探索星空的设想。他认为彗星尾部受到微弱“太阳风”的吹拂,于是设想可以利用这种风来推进带帆的飞行器,就像海风推动帆船一样。尽管开普勒关于太阳风的见解后来被证实是错误的,但后世的科学家却由此受到启发,思考用太阳光推动物体的可行性。

  太阳光的力量十分微弱,在地球绕日轨道上,每平方千米表面接受的太阳光压才4.55牛。虽然力量微弱,但太阳光提供的推力贵在持久。只要有阳光照耀,太阳帆就可以一直工作,在太阳光的压力下缓慢加速,并通过调整帆面相对太阳的角度来控制速度及方向。日复一日,太阳帆总有一天会达到惊人的高速度。

  太阳帆飞船已不再是停留在蓝图上的构想,不少国家都在进行太阳帆飞船的实验。其中,日本2010年发射的“伊卡洛斯号”试验太阳帆最为成功。2011年1月,完全依靠太阳光能驱动的“伊卡洛斯号”已完成全部实验项目,包括利用太阳光实现加速和改变轨道等。

  太阳帆飞船距太阳越远,加速度越低。如果可以用人工光照射太阳帆,它就可以持续加速并飞出太阳系了。激光是最强的人造光源,激光帆飞船不但能在太阳系内飞行,还可作恒星际航行。1984年,美国物理学家罗伯特·福沃德做出的工程分析表明,进行恒星际太空飞行的可行办法是向一个大型薄帆飞船发射大功率激光。当激光帆采用圆盘布局并搭载1吨的有效载荷时,最大速度能达到光速的1/10.飞抵4.22光年外的半人马座α星约需40年。

  虽然光帆面积庞大,帆面支撑等技术要求较高,但较其他形式的恒星际飞船而言,光帆仍是技术和经济上最容易实现的方案。据估算,如使用金属铍作为帆面材料,上述飞行的总费用为66.3亿美元。这只相当于阿波罗计划投资的1/4.因为地球大气会使激光衰减,理想的发射站应当位于月球等无大气的天体。如果未来能够开采月球上的氦-3资源并实现受控核聚变,发自月球的激光就可以射向宇宙深处的一叶孤帆。届时,人类就真正地向深空跨出了一大步。

  【发散思维】除了核动力火箭和光帆,还有哪些新技术可以用于星际飞行?

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