[科普中国]-星际冲压发动机

星际冲压发动机又称巴萨德冲压发动机(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。

简介星际冲压发动机又称巴萨德冲压发动机(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。除使用光帆外，任何飞船都需要携带大量燃料，并浪费许多能量来运送这些燃料。光帆虽然解决了这个问题，但却缺乏灵活性，难以进行随意的加速减速和轨道调整。而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。

Alan Bond在1974年提出了对巴萨德冲压发动机的一个改进型设计方案，被称为冲压增强型星际火箭(ram-augmented interstellar rocket，简称RAIR)，这个方案中把收集的星际氢原子用作反应物料(reaction mass)而不是唯一的核聚变燃料，从而绕开了在氢热核反应中遇到的困难。在这种星际冲压发动机内部，注入的质子束(也就是被电离的氢原子)被减速到大约1百万电子伏特，然后用它们轰击用锂-6或硼-11制成的标靶。锂和质子或者硼和质子的聚变容易发生，而且比其它类型的热核反应释放出更多的能量，这些能量就施加于将被喷出发动机的物质流上，让它们产生高速，从而增加推力；而在喷口那里，当初让注入的物质减速而产生的能量也被加回到喷出的物质流上。

甚至还有更高效的方式，被称为催化型RAIR。在星际冲压发动机内，当注入的物质流被压缩后，加入一点反物质，其反应不仅比核聚变更剧烈，释放能量更多，而且可以在低得多的温度下发生。根据一种预期，释放的能量可以让1万吨重的反物质催化冲压增强型星际飞船以1g的加速度前进，而且只需要内径3.5米的反应炉来保持每立方厘米1018个粒子的密度。但这个方案的缺点却是要储存大量反物质以用于星际飞行。

使用星际冲压发动机的飞船快要到达目的地需要减速的时候，只要打开磁场，但不启动发动机，就可以用磁场在行进中形成的阻力减速，而且还可以乘机囤积一些氢，以备飞船速度减到6%光速以下的时候使用。然后就可以象使用其他类型发动机那样掉个头，让船尾朝前，启动发动机减速，直到下降到适合的速度进入环绕目标的轨道1。

应用难点第一，这个飞船的速度必须首先达到光速的6%才能让发动机开始工作，因为只有达到这个速度，才能让氢收集器收集到足够的氢作为燃料；可是光速的6%，也就是每小时6400万公里的速度对于人类技术来说实在是个遥不可及的目标。

第二，技术无法使用普通的氢来进行热核反应，所收集到的氢中，只有1%是适合能作为燃料使用的氢同位素氘和氚，也就是说绝大部分都是谷糠只有小部分才是米，这会让加速度根本达不到1g，而可能仅仅是地球重力加速度的1/1000而已。

第三，如此，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16%，虽然这也是相当高的速度，但要想在宇航员有生之年环游宇宙就成了泡影。

第四，这个磁场如何运作也有难点，因为当磁场的磁力线在燃料收集口汇聚到一起的时候，磁场就开始把所有的离子弹开而不是继续拉进来，结果这个磁场漏斗变成了个磁力瓶，把星际物质收到飞船前面变成一个圆锥体，但却阻止它们作为燃料注入发动机。一个解决办法可以是利用脉冲磁场，不断展开和中断，但这个应用方式却有相当大的难度。

第五，这个飞船需要提供大量能量给磁场以及电子束或者激光，对于一艘无人飞船来说，磁场要超过1千万特斯拉(特斯拉：磁通量密度的国际单位，等于一韦伯/平方米)，产生这样的磁场无疑需要巨大的能量，更不用提用来将大范围的原子电离的激光或者电子束了。

第六，星际物质中除了氢外还混合大量的其他原子以至分子，对于热核反应会起什么影响还不知道。

相关作品Poul Anderson在他的作品Tau Zero(中文译名《τ–零》或者《宇宙的过河卒子》)中对于一个失控后高速飞行的星际冲压飞船上所发生的事情进行了描写

可行分析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1。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学