第12章：航行动力

    一个月后，好几份研究报告或者简报呈现在周源面前。这几份报告或者简报包括：星际航行动力（主要作者：科学院飞行器动力学家马克）、光速定律（主要作者：科学院物理学家文明）、星系标定方法（主要作者：科学院天文学家莱尔和科学院物理学家文明）、复制生命法则和意识移植（主要作者：科学院人类学家玛利亚、科学院脑神经和生命科学家邦本）、威慑和破壁执行计划（主要作者：科学院物理学家周源、科学院天体物理学家蒋晓燕和地球联邦舰队总司令艾森）、行星资源开发计划（主要作者：科学院材料物理与化学家杰斯、社科院研究员奥赛）。

    周源对前面三个很感兴趣，在未来三个报告也是很重要，所以重点看。后面三个简报，是他可以想象得到的。

    第一份报告就是星际航行动力研究报告。

    该报告分为四个部分：历史回望（讲述几十年前的飞机、化学火箭等）；现阶段航行动力（主要分析现在战舰和飞船所使用的受控核聚变动力）；未来动力和航行方式（分析未来可以采用的几种动力发动机或航行方式，比如星际冲压发动机、反物质发动机、离子发动机、恒星光压光帆、核脉冲发动机、空间曲率驱动、利用人造黑洞等）；总结建议等。

    历史回望主要部分：几十年前，人类最熟悉的发动机应当火箭发动机，先驱者和旅行者探测器利用这种发动机飞出太阳系。不过这种发动机的缺点是明显的，化学燃料占据的体积和重量太大而推力则太小，效率有限。

    现阶段使用的受控核聚变发动机：惯性约束聚变，也称作脉冲性聚变，在飞船尾部推进舱内使用粒子束来引爆小燃料球，小燃料球产生超高温，生成比磁约束聚变时密度更高1万亿倍的离子浆，从而产生聚变。由于这种反应时间非常快，不必要强磁场束缚它们，小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应。在宇宙的真空中使用粒子束，比具有大气的地球上具有明显的好处，不受大气分子的干扰。核聚变大幅度降低核裂变的辐射污染，不产生γ射线和中子，只产生α粒子，可以说是相当干净的反应。

    星际冲压发动机：典型的星际冲压发动机其实也是一种核聚变发动机。使用星际冲压发动机的飞船，可以不牺牲灵活性而解决燃料携带方面的问题。因为核聚变所需要的燃料氢，在星际空间中到处都是，只要在飞行的途中把它们搜集起来，送进反应炉中就可以了。当然，星际物质的密度是极其稀薄的，所以这种飞船上需要安装一个巨大的漏斗形氢采集器。按照计算，如果一个1千吨重的飞船以1g的加速度前进，在高密度的星云中就需要采集1千平方公里面积上的燃料，而在低密度的星际空间需要采集1万平方公里。这么大的漏斗过于巨大了，一个面积1万平方公里1毫米厚的聚脂薄膜也要25万吨重，何况这不是平面而是漏斗形。当然，我们可以通过向前方发射激光或者电子束，来将星际物质的外部电子击开形成离子，然后利用磁场收集，但是，这个磁场漏斗的延伸范围，甚至比最初设计的漏斗更大，这个磁场漏斗的直径需要高达5万公里以获取足够的燃料。但当高速飞行的时候，这个磁场将产生巨大的拖滞效果，就如同我们推着一个大木盆游泳时的效果一样，通过计算，这样的飞船其实无法达到接近光速的速度，最多只能达到光速的21%。

    反物质发动机：由于反物质和物质如果相遇，将会湮灭，正反物质的质量将全部转化为能量，按照爱因斯坦的质能公式，将释放巨大的能量。就目前所知道的所有物理反应而言，这是效率最高的燃料。我们可以比较一下，星际飞船发动机燃料每公斤释放能量的效果，很理想的化学燃料反应可以产生1*10^7焦耳的能量，核裂变产生8*10^13焦耳，核聚变产生3*10^14焦耳，而反物质的湮灭能产生9*10^16焦耳，是氢氧化学反应的1百亿倍，太阳核心热核反应的300倍。这种飞船的比冲量将是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那么大的反物质同物质湮灭产生的能量，足以让一艘飞船巡弋数百光年。反物质发动机的设计方案，比冲量最高的是粒子束核心，直接一对一的湮灭，然后以磁场控制带电介子，并把它们直接从喷口喷射出去，由于这些介子的运动速度接近光速，发动机比冲量可能要超过1千万秒。因为湮灭产生的带电介子，在衰变后变成半衰期更长的带电μ介子，所以这个办法完全可行。而且这个方式只需要反物质燃料，不需要推进剂，可以极大地减少飞船的负载。由于湮灭的产物是以接近光速运动的，所以飞船必须造得很长。但是，反物质制造和储存有很大的麻烦。首先是制造它太消耗能量了，因为我们目前还没有其他制造反物质的办法，所以只能把湮灭过程反过来，使用粒子加速器，根据爱因斯坦的质能转换公式从能量中制造出反物质(以基本粒子的形态产生)。由于这个原因，现在全球每年才能制造出一亿分之一克的反物质。如果使用粒子束核心反物质发动机的话，需要几毫克反物质来在太阳系内旅行，如果要去最近的比邻星的话，则需要几公斤，这远远超过了我们的制造能力。另外一个障碍是储存，因为反物质只要遇到正物质，立刻就会湮灭爆炸，所以我们无法使用任何正物质制作的容器来存放它，现在都是通过超冷真空的彭宁离子阱，利用迭加电磁场来存放反物质基本粒子，这是种可以便携运输的反质子存放装置，目前已经进展到储存10^15个反质子，可要满足反物质推进的话，需要存放10^21个反质子。

    离子发动机：离子发动机（静电加速式发动机），这种发动机的工作原理是效仿加速器来加速离子的办法，这种办法最大的特点是，它可以把离子加速到接近光速的速度。也就是说，我们有可能通过这种办法得到非常高的喷气速度。发动机中又不存在高温问题，因此发动机的排气速度也是可以无限制的提高，以至于接近光速。离子发动机采用双彭源，也就是双等离子体离子源和永磁PIG离子源的结合。大功率的双彭源是一种单电荷态的强流离子源，可以引出安培级以上的离子流。从外形结构看，双彭源只是在双等离子体离子源的阳极外侧增设一个对阴极。前三个电极组成类似于双等离子体离子源的系统，看作是一个电子源。由于对阴极上加有和中间电极相同或更负些的电压，电子就在中间电极和对阴极之间反射振荡,改善了电离。

    恒星光压光帆：光帆的理论基础是，当光被反射的时候，就从光子传递给光帆一个动力产生加速度。被反射的能量越多，获得的动力就越多。也就是说，光帆表面的反射性能越好，其效果就越好。在光帆方面的发展重点，就是如何进一步寻找这样的可以很大、很薄、很轻、反光性好、而且不会因为陨石的打击而撕裂的材料。光帆最大的好处是它们有免费的推进系统，既不需要发动机，也不需要燃料，节省了大量的重量，而且可以长期加速，这两者结合，意味着它最终能达到很高的速度。但是，光帆利用恒星光的话，其缺点非常明显，首先是光帆的推重比极其微小，其次是当使用光帆的飞行器远离太阳，阳光的密集度越来越低，压力会越来越小，直到最终可以忽略，也不再对光帆施加压力并产生加速度，再次，为了能够航行并且携带一定的有效载荷，光帆的面积必须非常巨大，才能获得足够大的推力，最后，光帆飞船太缺乏机动性了，运送探测器还可以，但是运人的话，大概没几个人有这么好的耐心，如果利用激光替代恒星光的话，飞船速度上去了，但飞船同样缺乏机动性。

    核脉冲发动机：不是利用受控的核反应，而是利用核爆炸来推动飞船，这已经不是一种发动机了，应该称为核脉冲火箭。这种飞船携带大量的核弹，一颗颗地抛在身后，然后引爆，飞船后面安装一个推进盘，吸收爆炸的冲击波推动飞船前进。核弹并非直接作用于推进盘上，在释放出核弹后，接着再释放出一些由高聚酯材料或者纳米纤维制成的固体圆盘。当飞船驶出一定距离，核弹将在飞船后面爆炸，蒸发掉圆盘，将其转化成高热的等离子浆。由于圆盘位于核弹和飞船之间，等离子浆中相当部分将会追上飞船，撞击飞船尾部巨大的金属推进盘，从而推动太空飞船高速行驶。推进盘承受的瞬间推力过于巨大，从而超过人体承受能力，因此，飞船设计上还在推进盘和前部船体之间安装一个振动吸收系统，脉冲能量将暂时被储存在吸收系统中，然后逐步释放出来，这样不至于因为爆炸的冲击而导致剧烈的震荡，让飞船能够比较平稳地飞行。

    空间曲率航行：一种理论认为，这个宇宙的空间并不是平坦的，而是存在着曲率,如果把宇宙的整体想象为一张大膜，这张膜的表面是弧形的，整张膜甚至可能是一个封闭的肥皂泡，虽然膜的局部看似平面，但空间曲率还是无处不在。很早曾出现过许多极富野心的星际航行设想，其中之一就是空间折叠，空间折叠是设想把大范围空间的曲率无限增大，像一张纸一样对折，把“纸面”上相距遥远的两点贴在一起。这个方案严格来说不应称为空间航行，而应该叫做“空间拖曳”，因为它实质上并不是航行到目的地，而是通过改变空间曲率把目的地拖过来。这需要打破基础理论限制，对时空理论很成熟，或许还需要提供极高极高的能量，这在目前不太现实。同时，有些人提出一种相反的设想。就是如果飞船能用某种方式把它后面的一部分空间“熨平”，减小这部分空间的曲率，那么飞船就会被前方曲率较大的空间拉过去，可以实现光速或者超光速航行。

    利用黑洞航行：基于我们已经创造出人工黑洞，我们是否大胆设想，利用人工黑洞进行超光速航行？当然我们需要知道天然黑洞和人造黑洞的完善理论，不过我们可以试验，比如将一艘人工智能控制的飞船进入到人造黑洞，看是否有奇特现象，是否有超光速效果？或许黑洞产生的强大引力场能局部改变空间结构，形成空间曲率变化，可以进行曲率航行。利用这种空间前后的张力推动，使得飞船可以安全的以快于光速的几个数量级的速度航行，用空间推动的方式规避了光速限制，同时又回避了时间膨胀的相对论性的问题。

    以下是建议：目前重点投放在离子发动机研制和批量生产，并且同时进行（人造）黑洞相关理论研究和超光速可行性试验。

    （PS：本章主要内容来自于网上资料，作者搜集并整理）