[科普中国]-星际航行

简介

星际航行（interplanetary and intersteller navigation）是行星际航行和恒星际航行的统称。行星际航行是指太阳系内的航行，恒星际航行是指太阳系以外的恒星际空间的飞行。不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。已知太阳系最外层行星（冥王星）的轨道半径为60亿千米，而离地球最近的恒星（半人马座比邻星）与地球相距4.22光年，约合40万亿千米，其他恒星和星系的距离则更远。人们现在能观测到的宇宙范围约为100亿光年，用现在火箭技术所能达到的速度（20千米/秒）可以飞出太阳系，但不能实现恒星际航行。因为以这个速度航行到最近的恒星比邻星约需65000年。航天器只有达到接近光速的速度，恒星际航行才有实际意义。要使航天器接近光速，必须把火箭的喷气速度提高到接近光速。

探索发展不载人行星际航行已经实现，而恒星际航行尚处于探索阶段。如以冥王星的轨道作为太阳系的边界，太阳系的半径约为60亿公里。除太阳外，离地球最近的恒星──半人马座“比邻星”的距离为4.22光年（1光年等于9.46×1012公里），约合40万亿公里，相当于地球到太阳之间距离的27万倍，其他恒星和星系的距离则更远。人们现在所能观测到的宇宙范围约为100亿光年。用现代火箭技术所能达到的速度 （20公里/秒左右）可以飞出太阳系，但不能实现恒星际航行。因为以这个速度航行到最近的恒星“比邻星”约需65000年，到天狼星约需13万年。航天器只有达到接近光速的速度，恒星际航行才有实际意义。要使航天器接近光速，必须把火箭的喷气速度提高到接近光速的水平。但是即使利用氢聚变反应产生能量转化为动能，喷气速度也只能达到光速的5%。以这样的喷气速度使航天器速度达到0.8倍光速，则航天器起飞时的质量将为航天器质量的34.8亿倍，这是无法实现的大质量比。

因此，只有一种火箭可能中选，那就是一位德国科学家在 1953 年提出的光子火箭。光子火箭的构造是这样的：在火箭的尾端装置了巨大的反射镜，在正对其焦点的位置上使这种反应进行。这种反射镜必须具有安全的反射率，否则在强烈光束的作用下，火箭体就会被熔化掉。对这种光子宇宙飞船来说，未能解决的问题实在太多了，可是谁也不敢断言人类将来不可能造出这种飞行器来。所谓光子就是构成光的粒子，当然具有接近或达到光的速度。德国科学家研究的就是光子猛烈喷射所推进的光子火箭。这种光子火箭在理论上极接近光速，从而可被称为最终的飞行器。1

发展史1957年10月4日苏联成功地发射了世界上第一颗人造卫星,从而开创了人类历史的新纪元——星际航行时代。这个新时代的到来,标志着人类几千年劳动创造的天文学、数学、物理学、医学以及一系列近代科学技术的综合结晶和升华。也标志着在地球上生活了几千年的人类将要进人宇宙空间,开拓地外文明的开始。2

从1957年10月到1961年4月不到四年的时间里,人类共发射5颗人造卫星。对于火箭飞行技术、卫星姿态控制以及日地空间环境等一系列资料掌握得比较成熟以后,1961年4月12日“东方一号”卫星式飞船把把苏联第一个宇航员一,加加林少校带到了外层空间并安全地返回地面,从而第一次实现了人类飞向太空的理想。这是人类飞往太空的第一个里程——人类地外空间飞行。

本世纪60年代是人类开始进人太空的年代。自1961年4月12日到1969年7月13日,人类向外层空间发射载人的和不载人的卫星、飞船和宇宙探测器共938颗。在充分掌握了地月飞行轨道、地月飞行环境之后,1969年7月16日,阿波罗11号将美国宇航员N.阿姆斯特朗、E.奥尔德林和M.柯林斯带向了月球。同年7月20日,阿姆斯特朗和奥尔德林首次登上月球,从而将人类飞月的美丽幻想变成了现实.这是人类飞往太空的第二个里程——人类地月空间飞行。

明显的标志之一是举世瞩目的“空间巨人”,美国第一个实验性空间站——天空实验室”的出现。它在空间渡过了长达六年之久的黄金岁月。一批批宇航员进人“天空实验室”,在一个“复式外层空间接合器”的小舱内操纵着各种控制仪表,进行日地关系、地球环境等共412项科学研究。使用由八组镜头组成的巨大望远镜,观测和记录太阳紫外、红外和X射线等各种活动图像,共拍摄太阳照片182842张,使人类第一次看清太阳大气的真面目。这一惊人的成就被誉为世界太阳物理学的重大事件,这些结果都是在地球上无法获得的。

第二个显著标志是,星际航行事业的迅速发展推动了一门规模空前宏大的科学一一空间科学的诞生。空间科学是以日地系统整体行为研究为轴心,以空间天文学、空间物理学、空间化学、空间地质学、空间通讯科学、空间生命科学、空间医药学、空间材料科学和空间微重力科学为扇面而展开,从而构成了科学史上规模空前宏大的科学领域。这门科学将吸收和利用人类最先进的科学和技术成果去推动本科的发展。它的每一步成就都将是成为空间大国地位的重要标志。

第三个显著标志是航天飞机的出现。它是航天史上运载能力和技术的重大突破。代替了过去一次发射的运载火箭,而像飞机一样地往返飞行。它能向地外空间轨道输送卫星、回收旧卫星、打扫空间垃圾。航天飞机出现的更大价值是使“天空实验室”得以更换成永久性的轨道空间站。使人能长久地在外层空间工作和生活。航天飞机方便地来回输运,使人类能在空间轨道站上建造空间工厂、空间发电站、空间天文台、空间宇宙发射场以开发月球和行星,造福于人类。

现状现阶段航天中使用的化学火箭发动机、核火箭发动机和电火箭发动机的喷气速度只有光速的几万分之一。设想中的有可能用于未来恒星际航行的推进系统的有：①脉动式核聚变发动机：把核燃料做成很多细小的颗粒──“微型氢弹”,用激光或粒子束加热到极高温度,引起微型氢弹爆炸，产生冲击波和粒子流，使其向一定方向喷射，产生反作用推力。逐个点燃“微型氢弹”可获得脉动式的持续推力。②星际冲压式发动机：在恒星际航天器前面装一个巨大的收集器，在航行中不断吸入星际空间的氢，利用氢的同位素氘为核聚变发动机提供燃料。但是这样的收集器据计算直径将达到数千公里。有人设想在航天器前面造成一个大范围的人工磁场，形成无形的收集器，用磁力线捕获星际空间的氢离子。③光子火箭发动机：根据著名的爱因斯坦质能公式:能量=质量×光速^2，利用物质和反物质相互作用，其质量全部湮灭而转化为光能。使质子与反质子在发动机中进行反应产生光子流,光子流以光的速度从火箭喷管喷出,产生反作用力，推动火箭前进，这就是光子火箭原理。光子火箭的设想早在1953年就提出来了，但是反物质的产生、贮存和使用，发动机的设计和控制，以及大面积反射镜的制造都不是短时期内所能解决的问题。根据爱因斯坦的狭义相对论（另一部著作为广义相对论），在以接近光速飞行的航天器上，时间的进程远比地球上慢，这个效应称为时间延缓效应。设T是航天器上的时间，Te是地球上的时间，V是航天器的速度，C是光速，则有关系式： 例如：当V=0.9C时，T=0.436Te；当V=0.9999995C时，按照这个效应航天器上的时间仅为地球上时间的千分之一。这样一来就有可能在人的寿命期限内完成一次往返遥远恒星天体的恒星际航行。（但是，霍金认为物体速度越快，本身质量越大。当速度接近光速时，质量会大的惊人。）

进展在休斯顿召开的“百年星舰”恒星际航行计划中，来自世界各研究机构的科学家、工程师、哲学家、心理学家以及其他领域的人士共同讨论了人类在进行恒星际探索时所面对的问题，指出该计划面临的最大困难并非技术限制，而是人类本身。科学家希望以此推动宇宙飞船的革命性动力系统的研究、生命支持系统、飞船以及模拟生物圈的设计等，计划得到了美国国防部高级研究计划局(DARPA)资金支持。

对当今人类社会的研究（比如废物利用、资源管理问题、交通堵塞等）可使科学家在着手进行恒星际空间飞行计划中起到积极作用。进行数万年以上的恒星际旅行需要进行“多代繁衍”才能保持人类的种子可播撒到另外一颗恒星系统中，这就需要超级宇宙飞船中可以融合自然生态系统和人类社会并长期共存，类似于一个完整的生物圈。科学家设想的未来宇宙飞船生态系统并不是一个封闭性的空间环境，而是开放的，通过核聚变产生类似太阳光的能量为整个生态系统提供能量，并在飞船中制造人造重力场，同时也嵌入了真正的生态建筑的理念，每一个建造材料都是可再生的，可循环的。

早在二十世纪六十年代，研究人员戈登·帕斯克（Gordon Pask）和斯塔福德·比尔（Stafford Beer）探讨了在控制论试验中使用生物和化学系统达到不同建筑物质实体的效果，实现创新点。在过去的二十年，合成生物学、化学技术（设计、工程和生命系统技术）的进步使得我们可以打造出包括气流、土壤和水环境等生物圈的基础架构。传统意义上，人体可以看做一个离散的结构，通过近年来遗传分析和微生物的发现，我们的基因组中混杂着细菌和病毒的遗传信息，我们身体中90%的细胞都与细菌有关，而且人体中存在大约三公斤的细菌细胞，它们帮助我们消化食物，参与免疫系统等。

因此在进行恒星际空间飞行的旅程中，飞船上的人类社会和自然生态系统需要实现可持续的发展 ，比如水环境的循环，通过吸收辐射和热量再导入微生物的生态群落中。人类在进行长距离的星际航行需要面对资源、环境以及飞船社会结构等诸多问题，所有的一切都在以维持飞船上宇航员的生命为目的，由此生命维持系统、甚至是在飞船上延续人类后代的技术都显得至关重要。SETI（搜寻地外智慧）研究所的创始人、天文学家吉尔·塔特（Jill Tarter）认为“百年星舰”计划是一场硬仗，我们要打造的是一艘能够进行恒星际航行的宇宙飞船。3