沒(méi)錯(cuò)，我們身體里的金屬元素都來(lái)自于恒星的中心，從某種意義上來(lái)說(shuō)，我們都是屬于宇宙深空的孩子。
在神舟十一號(hào)太空飛船即將發(fā)射之際，就讓我們以科幻作品為引，從現(xiàn)實(shí)中的物理出發(fā)，來(lái)看看那些奇妙的宇宙航行方法吧！
傳統(tǒng)火箭引擎——化學(xué)引擎
為了能夠前進(jìn)，我們必須向著運(yùn)動(dòng)的相反方向擲出一定的質(zhì)量，這些投擲出去的東西叫做“工質(zhì)”。工質(zhì)推進(jìn)是目前幫助我們擺脫重力束縛、邁出離開(kāi)地球母親懷抱第一步的不可缺少方式。
和噴氣式飛機(jī)類似，運(yùn)載火箭也是通過(guò)噴出高速氣體來(lái)獲得動(dòng)力。不同的是，在大氣層內(nèi)飛行的飛機(jī)可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)源源不斷地壓縮進(jìn)氣道吸入的空氣來(lái)獲得推力，而對(duì)于運(yùn)載火箭，這些空氣就有些捉襟見(jiàn)肘，很難產(chǎn)生足夠的推力，更不要說(shuō)我們要去的可是接近真空的外太空了。因此，為了掙脫地球的引力，運(yùn)載火箭都裝載著巨量的燃料和助燃劑，這些燃料燃燒所產(chǎn)生的大量氣體經(jīng)過(guò)超音速噴嘴排出，就能推動(dòng)火箭直沖云霄，將飛船送上太空軌道。
火箭引擎中，化學(xué)引擎這種上古的方式在科幻作品中雖然已經(jīng)被各自炫酷引擎擠壓得生存空間愈發(fā)狹小，但是卻仍然頑強(qiáng)地占據(jù)著一席之地，誰(shuí)讓它是經(jīng)典呢？每一次的點(diǎn)火，伴隨著升騰起的火焰和煙霧，那昂然升空的火箭總能激起我們探索未知的無(wú)盡斗志。
圖2. 《安德的游戲》劇照，升空中的運(yùn)輸火箭?；瘜W(xué)引擎釋放出灼熱尾焰，同時(shí)伴隨著巨大的煙霧
化學(xué)燃料雖然效果拔群，但是缺點(diǎn)也十分明顯。一個(gè)最大的問(wèn)題就是“又大又重”?！按蟆笔钦f(shuō)燃料和助燃劑占的總體積大，“重”是因?yàn)檫@會(huì)讓火箭變得更沉。這就形成了一個(gè)兩難的局面——為了飛得更高更遠(yuǎn)，燃料就需要更多，但是這反過(guò)來(lái)又讓火箭變得更沉，也越耗費(fèi)燃料。
現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，人類至今推力最大的運(yùn)載火箭是土星五號(hào)（Saturn V），當(dāng)年它為了將總重量約50噸的阿波羅飛船（Apollo）送入月球軌道，必須攜帶2721噸重的燃料及助燃劑，這些重量足足可以填滿數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的游泳池。相比之下，火箭各推進(jìn)級(jí)的凈重只有178噸。所以，別看現(xiàn)實(shí)中的火箭都是圓柱狀，各部分的重量可都是經(jīng)過(guò)細(xì)細(xì)考量的。
離子推進(jìn)和核能引擎
化學(xué)引擎送我們脫離行星引力到達(dá)宇宙空間，可遠(yuǎn)星還在召喚我們呢。這時(shí)再靠著化學(xué)燃料來(lái)實(shí)現(xiàn)飛船的大規(guī)模加速和減速就很不劃算了。這就好像開(kāi)著一輛堪稱“油老虎”的跑車(chē)，想要來(lái)個(gè)橫跨大陸的旅行卻又只能依靠小小的油箱，又如何能夠享受風(fēng)馳電掣的爽快？
為了解決有限燃料情況下的長(zhǎng)距離加速和減速問(wèn)題，航天器就需要更高比沖的發(fā)動(dòng)機(jī)。這里的比沖是個(gè)專有名詞，《軍事大辭海》中給出的定義是“單位流量推進(jìn)劑(燃料)產(chǎn)生的推力,或單位重量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量”。簡(jiǎn)而言之，在攜帶同樣質(zhì)量的推進(jìn)劑的前提下，比沖越大，推進(jìn)劑使用的效率就越高。于是，離子引擎和核引擎當(dāng)仁不讓地站到了臺(tái)前。
離子引擎和傳統(tǒng)火箭引擎相似，只是將燃燒室換成了電離室，將噴出的氣體換成了經(jīng)過(guò)電離的推進(jìn)劑，在電磁場(chǎng)作用下，將電離之后的離子約束并高速噴出。因?yàn)殡x子引擎比沖高的優(yōu)勢(shì)，攜帶較少的推進(jìn)劑就可以獲得可觀的加速效果。
在去年熱映的電影《火星救援》（The Martian）里，赫爾墨斯號(hào)（Hermes）飛船在前期使用化學(xué)燃料推進(jìn)到達(dá)火星轉(zhuǎn)移軌道之后就改由先進(jìn)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)加速，通過(guò)以超高速將氬原子向后拋射獲得飛船整體的微小加速度，讓飛船最終達(dá)到相當(dāng)?shù)乃俣?，于是只花費(fèi)了124天時(shí)間就到達(dá)了火星。
圖5. 赫爾墨斯號(hào)火星飛船。作為一艘遠(yuǎn)距離航行飛船卻沒(méi)有體積巨大的燃料艙，離子發(fā)動(dòng)機(jī)功不可沒(méi)。
不過(guò)這里也說(shuō)出了離子發(fā)動(dòng)機(jī)的弱點(diǎn)。那就是推力還不夠大，要想獲得大的加速，需要犧牲空間和時(shí)間，通過(guò)長(zhǎng)距離的持續(xù)加速來(lái)?yè)Q取最終的高速。
現(xiàn)實(shí)之中，離子引擎已經(jīng)不再是幻想，1998年發(fā)射升空的美國(guó)宇航局探測(cè)器深空一號(hào)（Deep Space 1）就是人類歷史上第一艘使用這種推進(jìn)方式的飛船，它在宇宙航行過(guò)程中雖然遭遇到一些技術(shù)問(wèn)題，但是仍然成功地對(duì)包瑞麗彗星（Comet Borrelly）進(jìn)行了探測(cè)。
圖6. 深空一號(hào)的藝術(shù)效果圖。作者Don Foley，來(lái)自噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）網(wǎng)站。
除了離子引擎，被無(wú)數(shù)科幻作品所青睞的還有核動(dòng)力引擎。
自從人類發(fā)現(xiàn)核能以來(lái)，核動(dòng)力引擎就慢慢取代了普通火箭引擎成為科幻世界中高科技時(shí)代的“常規(guī)動(dòng)力”。核反應(yīng)的巨大能量有目共睹，通過(guò)核能來(lái)加熱加速推進(jìn)劑比直接一把火燒掉要經(jīng)濟(jì)得多。從某種意義上來(lái)說(shuō)，核引擎算是通過(guò)電磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑加速的離子引擎的升級(jí)版本。
現(xiàn)實(shí)中，科學(xué)的不斷進(jìn)步不斷給予科幻作家以新的靈感，科幻小說(shuō)里面關(guān)于核引擎的設(shè)定也越來(lái)越仔細(xì)、越來(lái)越完備。從早期的模糊的“核引擎”到具體的“核聚變引擎”，兩個(gè)字的增加，就讓宇宙水手們把小太陽(yáng)裝在了自己的船上。
相比傳統(tǒng)引擎，核聚變引擎可謂是優(yōu)勢(shì)滿滿。除了十分可觀的比沖外，引擎的燃料——?dú)浜退耐凰仉沁@個(gè)宇宙中最不缺乏的資源之一了，不論是邊飛邊從宇宙空間收集還是到大型氣態(tài)行星大快朵頤一餐都能解決燃料的問(wèn)題。
圖8. 來(lái)自于《2001太空漫游》的核動(dòng)力飛船“探索者1號(hào)”，擁有球狀的乘員艙和尾部巨大的核能引擎艙。
但是，別看核動(dòng)力的單人小艇在未來(lái)世界里都已經(jīng)見(jiàn)慣不怪，但核能引擎在現(xiàn)實(shí)中卻依然沒(méi)能實(shí)現(xiàn)。受限于物理學(xué)和材料學(xué)，目前的受控核聚變還不能夠隨心所欲釋放能量，探測(cè)器上能夠稱得上核能的也只是小小的同位素電池或是加熱器。
不過(guò)，核能發(fā)動(dòng)機(jī)的夢(mèng)想總是要有的，萬(wàn)一哪一天實(shí)現(xiàn)了呢？
揚(yáng)帆遠(yuǎn)航——光帆
15世紀(jì)開(kāi)始，人類進(jìn)入大航海時(shí)代，帆船成了挑戰(zhàn)未知的遠(yuǎn)航之心的象征。而在宇宙大航海時(shí)代，太陽(yáng)帆飛船，或者叫做光帆飛船就可以算是這里最接近傳統(tǒng)帆船形象的飛行器了。
下雨天，當(dāng)我們打著傘走在雨中的時(shí)候，握著傘柄的手能夠源源不斷地感受到打在傘面上的雨滴所帶來(lái)的壓力。類似地，不論是光還是粒子，它們打在光帆之上也會(huì)產(chǎn)生一定的壓力。飛船就如同浴在光子或是輻射粒子“風(fēng)”里的“帆船”一樣，在這壓力推動(dòng)下不斷前進(jìn)。
古典帆船不需要螺旋槳，只要有風(fēng)就能航行，光帆飛船亦只需要“粒子風(fēng)”。這意味著一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)：可以去掉推進(jìn)劑和引擎，從外部提供動(dòng)力，讓飛船本身的重量得到極大的削減。
在劉慈欣的科幻作品《三體》之中，為了向一光年外正在往地球進(jìn)發(fā)的三體艦隊(duì)發(fā)射一顆能夠盡快到達(dá)的飛行器，彼時(shí)的人類提出了一個(gè)“階梯計(jì)劃”。這個(gè)計(jì)劃中的飛行器便是擁有著巨大輻射帆的光帆飛船，通過(guò)依次引爆在預(yù)定飛行軌道上從地球到木星軌道之間的近千枚核彈，利用其爆炸產(chǎn)生的輻射作用于光帆帶來(lái)持續(xù)的加速，最終使追求極致輕量化的飛船達(dá)到了光速的百分之一。
可喜的是，光帆飛船現(xiàn)在已經(jīng)不再是紙面上的設(shè)定，而慢慢走向了現(xiàn)實(shí)中切實(shí)可行的方案。日本航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）在2010年發(fā)射的伊卡洛斯號(hào)（IKAROS）飛船已經(jīng)成功驗(yàn)證了將光帆作為唯一推進(jìn)方式的可行性。
伊卡洛斯飛船有著厚度為7.5微米，面積為196平方米的復(fù)合材料帆，而這種帆每平米的質(zhì)量?jī)H僅有10克。到2015年轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)為止，正是憑借著操縱這面巨大又輕盈的帆，伊卡洛斯號(hào)平安地運(yùn)行到了距地球1.1億公里、據(jù)太陽(yáng)1.3億公里處。
圖9. 伊卡洛斯號(hào)光帆驗(yàn)證飛行器藝術(shù)圖，可以清楚看到巨大的方形合成材料帆。來(lái)自日本航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)網(wǎng)站。
利用空間——引力彈弓和曲速航行
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論指出，大質(zhì)量的物體可以讓它周?chē)目臻g發(fā)生彎曲。如果把行星或恒星等大質(zhì)量物體比作金屬球，宇宙空間比作橡皮膜，壓在一張平整橡皮膜上的金屬球會(huì)產(chǎn)生一個(gè)凹陷。假如這時(shí)候有個(gè)小球向著這顆金屬球而去，這個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)彎曲，小球在滾向凹陷的過(guò)程中也會(huì)不斷地加速。這正是“引力彈弓”的基本原理——空間探測(cè)器從行星旁繞過(guò)時(shí)受行星的引力作用，運(yùn)動(dòng)速率增大。
在電影《星際穿越》中，宇航員庫(kù)珀最后操縱著破損的永續(xù)號(hào)（Endurance）就是孤注一擲，通過(guò)黑洞“巨人”（Gargantua）的引力彈弓作用，讓宇航員艾米莉亞得以逃生。而《火星救援》里，為了救助被困火星的馬克·沃特尼，赫爾墨斯號(hào)則是利用地球的引力彈弓效應(yīng)，最大限度地節(jié)約了時(shí)間，才能夠在匆匆補(bǔ)給之后快速返回火星。
回到我們的時(shí)代，1977年9月5日發(fā)射的旅行者號(hào)探測(cè)器就是經(jīng)過(guò)木星和土星這兩個(gè)太陽(yáng)系大塊頭行星的引力加速才獲得了足以脫離太陽(yáng)引力控制的動(dòng)能，并在2013年9月12號(hào)被美國(guó)宇航局正式宣布已經(jīng)脫離了太陽(yáng)系，繼續(xù)向著無(wú)人深空進(jìn)發(fā)。
而土星探測(cè)器卡西尼號(hào)（Cassini）探測(cè)器在重達(dá)3噸，現(xiàn)有推進(jìn)技術(shù)不足以將其直接送達(dá)土星的情況下，正是靠著在6.7年里兩次飛掠金星，之后又途經(jīng)地球、木星，借助它們的引力加速，最終才能夠順利抵達(dá)目的地。
圖11. 卡西尼號(hào)探測(cè)器的運(yùn)行軌跡示意圖，反復(fù)經(jīng)過(guò)了多次行星引力加速才得以到達(dá)土星。來(lái)自美國(guó)宇航局網(wǎng)站。
如果說(shuō)引力彈弓是利用了這個(gè)宇宙中的天然“地形起伏”的話，那么曲速航行就是人類移山填海，主動(dòng)出擊了。這里的“曲速航行”，或者叫做曲率航行、翹曲空間，本質(zhì)上就是對(duì)空間的主動(dòng)彎曲。
這段選自漫畫(huà)《哆啦A夢(mèng)——大雄的宇宙開(kāi)拓史》的片段簡(jiǎn)潔又形象地描繪了何為彎曲空間——通過(guò)一定手段讓空間“折疊”，把本來(lái)相隔很遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)拉近。
這種方法優(yōu)雅而高效：沒(méi)有燃燒，無(wú)需噴射，快速便捷——常規(guī)的宇宙飛行在它面前慢如蝸牛。同時(shí)，這種對(duì)空間的主動(dòng)干預(yù)讓人有一種主人一般的感受，仿佛自己不再是渺小脆弱的生命體，而是無(wú)限空間之王。
圖13. 《星際迷航——下一代》劇集中的聯(lián)邦星艦進(jìn)取號(hào)（Star Ship Enterprise）。擁有前端盤(pán)子一樣的碟形部和后端形似一雙筷子的曲速引擎艙。
科幻電影中，剛剛迎來(lái)50周年的美國(guó)科幻巨作《星際迷航》中的進(jìn)取號(hào)星艦就是由曲速引擎來(lái)驅(qū)動(dòng)的。經(jīng)由正反物質(zhì)湮滅所釋放的巨大能量產(chǎn)生曲速場(chǎng)，并進(jìn)一步改變曲速場(chǎng)周?chē)臻g的結(jié)構(gòu)，讓飛船進(jìn)入曲速航行，也就是仿佛乘上空間的波浪，被空間波動(dòng)推著前進(jìn)。進(jìn)入曲速航行之后，飛船被曲速泡所包圍，曲速泡內(nèi)部的空間未被扭曲，飛船相對(duì)于曲速泡而言是在做亞光速飛行，但是曲速泡本身相對(duì)于宇宙空間的運(yùn)動(dòng)卻可以超過(guò)光速。
在星際迷航的世界里，公元2063年進(jìn)行的人類歷史上第一次成功的曲速一級(jí)（光速的一倍）航行讓地球人被宇宙中另外的智慧生命——瓦肯人所感知并與之接觸，由此掀開(kāi)了波瀾壯闊的星際傳奇。
圖14. 星際迷航中涉及的曲速航行原理圖，通過(guò)產(chǎn)生不均衡的曲速場(chǎng)，讓空間來(lái)“推著”飛船向著不同方向運(yùn)動(dòng)。來(lái)自于官方技術(shù)手冊(cè)《Star Trek the Next Generation Technical Manual》。
圖15. 星際迷航電影中所表現(xiàn)的曲速泡和其中的進(jìn)取號(hào)。周?chē)墓庖驗(yàn)榭臻g扭曲而改變。
可惜的是，這個(gè)誘人的方法現(xiàn)在依然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，我們現(xiàn)在還沒(méi)能找到人工彎曲空間的有效方法，曲速飛船也依然是一個(gè)美好地概念。但是這個(gè)概念又是如此地誘人，因?yàn)檫@種方法能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的空間壓縮，極大地縮短旅行的時(shí)間，讓行星際間甚至于星系之間的旅行成為現(xiàn)實(shí)。
正如現(xiàn)在高鐵已經(jīng)能夠消弭我們過(guò)去的萬(wàn)水千山重重阻隔，未來(lái)的“星際高鐵網(wǎng)”就等待著用曲速航行技術(shù)來(lái)搭建了。
致無(wú)盡的想象
科幻作品中最重要的一個(gè)元素就是想象力。
最后就讓我們擺脫種種制約，釋放想象，一起來(lái)看看這個(gè)宇宙中的奇葩——“黃金之心”號(hào)（Heart of Gold）飛船。
它源自于英國(guó)科幻作家道格拉斯·亞當(dāng)斯的《銀河系漫游指南》，它的動(dòng)力可謂是前無(wú)古人、后無(wú)來(lái)者：無(wú)限非概率驅(qū)動(dòng)器（Improbability Drive）。
當(dāng)無(wú)限非概率驅(qū)動(dòng)器到達(dá)無(wú)限非概率狀態(tài)時(shí)，它可以在任何可能的宇宙中穿越任何可能的兩個(gè)點(diǎn)，這意味著你能夠瞬間跨越哪怕是最遠(yuǎn)的星球間的距離，也意味著你永遠(yuǎn)不知道你下一個(gè)時(shí)刻會(huì)出現(xiàn)在什么地方，甚至于也無(wú)法知道再次出現(xiàn)的時(shí)候你是什么。毛線團(tuán)、玫瑰花、檸檬、或是小黃鴨，一切皆有可能。
當(dāng)然了，作者自己也說(shuō)這古怪玩意兒“不太可能”了，誰(shuí)讓這驅(qū)動(dòng)器名字直譯過(guò)來(lái)就是“不太可能驅(qū)動(dòng)器”呢。
圖16. 《銀河系漫游指南》電影中啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器之后飛船變成了一個(gè)大毛線團(tuán)，所有成員也變成了毛線人。
圖17. 電影中剛剛從一朵花回到正常狀態(tài)的“黃金之心”號(hào)。
就如同那些往日科幻里大膽瑰麗的想象很多都已經(jīng)成真一樣，今日的科幻也許就是明日的現(xiàn)實(shí)。在這個(gè)日新月異的時(shí)代，就讓我們翹首以待，迎接宇宙大航海時(shí)代的到來(lái)吧！
