未来星际航行动力的预测

信息学院 PB11210251 吴琛

现在关于我国航天器发射的新闻很火，大家都很关注太空事业的发展，也出了不少好想法，现在我也来凑下热闹，聊聊自己对于未来航天器动力的一些想法。

我想未来的航天器是不会再使用化学燃料的，如果进行远距离航行的话，所需的化学燃料无疑将是一个巨大的数量。所以在这里我觉得有以下方案可以选择：1，核聚变；2，反物质能源；3，黑洞；4，时空曲率驱动。

人类征服宇宙的雄心早在各种科幻小说中显露无疑，所以我们所需要掌握的能量必须满足我们发展的需要。我给以上方案排个队吧，核聚变能量级别最低，所以适合在太阳系内或者在太阳系外稍远的区域使用；反物质所提供的能量不会比氢聚变大多少，在与太阳系周边的星系的联系中可以发挥作用，如果未来可能的话，可以在银河系的部分区域活动；黑洞是个天然的能量收集器，如果加以利用，我们的活动范围将大大扩展，冲出银河系不会是问题；对时空曲率加以利用听起来是那么的不靠谱，因为人类还没看到宇宙的边呢，但大家想一张纸上画两个点，问从一个点到另一个点所要的时间最短是什么情况？就是狗都知道走直线，但我们再想一下，两点之间有距离吗？我们只要折一下就到了。当然在空间上不会这么简单，但道理是一样的。对时空曲率的利用将是我们前往任何地方的最佳途径！

1，核聚变的利用

1) 磁约束聚变(Magnetic Confinement Fusion，简称MCF)，也被叫做持续性聚变(continuous fusion)，是将核燃料变成数百万度的高温等离子浆，从而使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的，所以可以用非常强大的磁场来束缚它们，否则离子浆将融化任何束缚它们的容器。不过目前的技术还维持不了足够的时间来使它们产生反应。 2) 惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，简称ICF)，也被称作脉冲性聚变(pulsed fusion)，利用激光或者粒子束来照射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。（摘自三思科学网）

稳定功率输出的可控核聚变虽然还未实现，但其原理是明确的，障碍只存在于技术领域。在未来，如果磁约束火惯性约束和等离子不稳定性等技术问题解决后，小型的聚变反应堆有可能被设计制造出来。这也是以上方案中唯一的可能在21世纪有突破的技术。

  星际冲压发动机也叫巴萨德冲压发动机(Bussard Ramjet)，因为它是美国物理家巴萨德(Robert W. Bussard)在1960提出来的。典型的巴萨德冲压发动机其实也是一种核聚变发动机，但巴萨德在燃料来源上却有一个天才的设想。

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，即使是密度相对大的星云中的物质密度仍旧比我们在地球上制造出来的真空更稀薄，以氢原子计算，银河系的星云之间平均每立方厘米只有1个氢原子，而比较高密度的星云也只能达到每立方厘米100个氢原子。所以这种飞船上需要安装一个巨大的漏斗形氢采集器(由于这个漏斗，英文中星际冲压发动机也叫Ramscoop)，按照巴萨德最初的计算，如果一个1千吨重的飞船以1g的加速度前进(1g加速度的好处是正好可以形成等于地球上重力的人造重力)，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。这么大的漏斗实在太过于巨大了，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，我们并不需要一个这么大的漏斗，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，这个磁场漏斗的延伸范围甚至可以比巴萨德最初设计的漏斗更大，而实体漏斗本身则可以做得比较小甚至不要。 
按照设想，由于飞船拥有无限的燃料补给，所以它可以一直加速直到接近光速，在这样的速度下，爱因斯坦的相对论效应将发挥明显的作用，从而在飞船的成员看来可以在20年里就抵达银河系的中心(当然，只是因为飞船的高速才导致的时间变慢，在地球人看来仍旧需要3万年才能到)，甚至能在他们的有生之年环绕宇宙。 
不过，这都是理论上的设想，在实际中，制造这种飞船却有许多技术上和实践上的困难。 

2.反物质能提供的能量

反物质概念是英国物理学家保罗·狄拉克最早提出的。他在20世纪30年代预言，每一种粒子都应该有一个与之相对的反粒子，例如反电子，其质量与电子完全相同，而携带的电荷正好相反（A）。 且电子的自旋量子数是-1/2而不是正1/2。

欧洲航天局的伽马射线天文观测台，证实了宇宙间反物质的存在。他们对宇宙中央的一个区域进行了认真的观测分析。发现这个区域聚集着大量的反物质。此外，伽马射线天文观测台还证明，这些反物质来源很多，它不是聚集在某个确定的点周围，而是广布于宇宙空间．（摘自百度百科）

尽管真正的去利用反物质像天方夜谭一样，但我们不妨猜想一下它能带来的好处。首先当然是能够提供巨大的能量，目前的核能利用中只能利用原料0.01%的质量，产生的能量已经很可观了，那就更不用说反物质了。如此巨大的能量在地球上不大可能实现，当然也有传言在1902年俄罗斯通古斯地区发生的莫名奇妙的大爆炸就是反物质与物质接触释放能量而引起的爆炸。姑且不论传言真假，因为知道现在反物质方面的研究和对反物质的了解都是相当缺乏的，就反物质的来源和数量都没有统一的结果。我认为反物质是必然存在（当然实验已经发现了）而且在宇宙形成之初应该是等量的。大爆炸理论认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。我们有知道宇宙向来一直很和谐，为大家所熟知的就是一大堆的守恒律，所以物质也没道理不守恒。所以在宇宙形成后的一段时间内物质与反物质的量应该是相等的

。既然如此那我们为什么没发现很大数量的反物质呢？我想原因还有待揭示，或许仅仅是我们没发现而已。比如太阳就可以发射出反物质，只不过是极少量。我想如果真的会发展这项技术的话，发现大量的反物质将是必不可少的。如果上面的问题都解决了，爱因斯坦的质能方程E=mc^2将体现出它巨大的威力（虽然我认为光速不一定是最快的，但并不影响这个方程的使用），相比于核聚变和裂变，反物质与物质之间的作用无疑更剧烈，所能提供的能量也将是前所未有的。另外在以下的的动力方式的使用上，它会是基础。

3，黑洞的可能利用

黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。黑洞引申义为无法摆脱的境遇。2011年12月，天文学家首次观测到黑洞“捕捉”星云的过程。

正如在上文中所写，黑洞的性质使它成为了最优异的能量回收站。它像一个口袋，把周围的的物质都收进来，至于到了袋子里成了什么，大家都只是猜猜而已。有理性点的分析说会被引力碾碎，有文艺点会说那会不会是桃源呢！我不管那么多，这么好的“口袋”就应该被人类加以利用。试想哪天能量缺乏了，到隔壁星系去“偷”个太阳回来多好啊！如果我们有足够的能量，我们为什么不能造个黑洞呢？把它放在那，等它长大了再回来弄碎它，让它像煤炭一样给人类提供能量！至少没人敢说爱因斯坦的质能方程不能倒过来用。能量和物质只是形式而已。

4，时空曲率驱动

这是更不靠谱的想法！

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。

早在公元世纪，曾出现过许多极富野心的宇宙航行设想，其中之一就是空间折叠、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"上相距千万光年的遥远的两点贴在一起。这个方案严格来说不应称为宇宙航行，而应该叫做"宇宙拖曳"，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。这种气吞宇宙的事只有上帝才做得出来，如果加上基础理论的限制，对于用空间曲率航行又出现了一个温和的设想，一艘处于太空的飞船如果能用某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，这就是曲率驱动（摘自《三体》刘欣慈）

按照广义相对论的解释，在引力场中，时空的性质是由物体的“质量”分布决定的，物体“质量”的分布状况使时空性质变得不均匀，引起了时空的弯曲。大致上讲，物质密度大的地方，曲率也就大。也就是说，“时空曲率”产生了引力，当光线经过一些“大质量”的天体时，它的路线是弯曲的，它将沿着“大质量”物体所形成的“时空曲面”前进。就像放在软床上的重球使床面弯曲一样。位处时空中的物体其一旦知道时空曲率，位处时空中的物体其运动轨迹也就可以计算出来；也就是说,物体运动得遵循曲率的指示。以地球绕太阳来说，太阳的质量决定它附近时空的曲率，地球受此曲率的影响就会以近乎椭圆形的轨道绕日运行。曲率如果不大，爱因斯坦理论与古典牛顿重力论的结果大致相同。（来自百度百科）

由上文我们了解到宇宙内是充满引力线的（就像光线），能量也一样，而且它们具有很强的一致性，质量能引起引力变化，以致曲率变化，为什么能量不行呢？应该只是能量大小的问题。路还很长！

人类目前掌握的能量还只能维持自己在地球以及近地的很小区域内活动，相比宇宙之大我们还差的很远！如果有以上的突破后，我想人类对自己的生存环境会有更深入的了解。我们不会只呆在地球上的，这毫无疑问。宇宙之大，何处不是人类的栖身之所呢？解决了动力问题，其他障碍都会迎刃而解的。

至于未来的发展，可能的方向有无数个！在此只是我的猜想罢了。作为中国航天事业的后备军，我相信我们会做到最好！

谢谢！

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