追寻新型飞船的脚步

王　嵩

1961年4月12日，苏联空军少校尤里·加加林乘坐“东方”号宇宙飞船进入地球轨道，成为有史以来第一个太空人，从此人类进入了太空时代。自那以后的四十多年里，人类不仅在近地球轨道频繁活动，还把足迹留在了月球，中国也在太空取得了一席之地。而无人驾驶的探测器则飞得更远，它们不仅飞向了火星，甚至还飞出了太阳系。探测器虽然无人驾驶，但它们是人类的产物，代表了人类。

人类走向宇宙的过程，如同我们的祖先驶入大洋。开始的时候依靠独木舟和小舢板在海边摸索，进而是岸边的小岛，最后才是整个大洋。而目前的太空科技，相当于小舢板在海边小心翼翼探索的阶段，人类的太空活动都是借助宇宙飞船或者航天飞机来实现的，那么，今天我们看到的飞船和航天飞机能够成为驰骋太空的明日之星吗?

传统化学燃料飞船的局限性

迄今为止，所有的载人飞船和航天飞机，以及绝大部分的无人飞船都是以化学燃料为动力的。化学燃料飞船的原理和冲天炮没有本质上的区别，都是通过化学燃料的燃烧产生向后高速喷出的气流产生推力，从而克服地球的束缚。化学燃料能够在极短的时间内产生巨大的力量，让飞船在短短十几分钟内进入地球轨道，但它的耗费是相当惊人的。拿普通的飞船发射来说，为了让小小的飞船进入距地球表面只有几百千米的近地轨道，要在十几分钟之内消耗掉上百吨燃料。所以飞船或者航天飞机发射时，最壮观的就是那汹涌澎湃的烈火，和装载着产生这些烈火所需燃料的巨大的燃料罐。

化学燃料能够产生巨大的力量，但是效率却不见得高，当距离成为太空旅行的主要矛盾时，这一点就成了致命伤。从地球到近地轨道需要十多分钟，“阿波罗11”号去月球则花了近4天时间，现在普通的火星探测器到达火星需要半年多。在茫茫太空，没有了空气阻力，各种星体间的引力也小了许多，但飞船的速度是有限的，如果要在短时间之内到达目的地，就要在起飞之后不断地加速，等速度非常高的时候再保持匀速，到达目的地之后再减速，就像我们在高速公路上一样。化学燃料飞船的低效率决定了它不能提供长时间稳定的加速度，因为它的胃口实在是太大了。在现有的星际探测器上，化学火箭只用作调整姿态和制动，至于探测器的动力，还是主要依赖离开地球时火箭给的速度。

太阳系内的水漂

行星的引力也是可以利用的资源之一，目前的星际探测器都或多或少利用了这一点。当火箭把探测器送上轨道之后，探测器沿着精心设计好的轨道前进，直到某颗星球附近，探测器到这颗星球的距离不能太远否则引力无法给探测器加速，也不能太近以免被捕获成为卫星。在宇宙空间利用别的星球加速后，探测器改变轨道飞向目标或者下一个加速点，就像在太阳系内打水漂一样。利用星体的引力加速是一种廉价的方式，然而也是一种费时和复杂的方式，这样设计出来的轨道通常都很复杂，还需要精确的发射窗口，飞船要走很多弯路，花费很长的时间，例如“先驱者10”号无人探测器飞出太阳系就花了十多年。

更重要的是，这样的方式对于无人探测器也许是有效的，但用于载人飞船却让人充满恐惧感，因为它需要准确地设计轨道，不允许有闪失。不难想象，如果一艘载人飞船因为某种失误错过了某次加速的机会，那么它将很可能在茫茫宇宙处于孤立无援的悲惨境地，并因为轨道改变而永远无法抵达目的地或者回到地球。

太阳帆

茫茫太空并非一无所有，在太阳系，太阳不断向四周发射带电粒子流，这就是太阳风，太阳风会对物体产生作用力，不仅如此，阳光照射在物体上也会产生光压，强度比太阳风大1000倍。因此，只要有一面足够大的光帆，就可以乘着太阳光前进。当然，要制造一面足够巨大而又十分轻巧的光帆并非易事，不过材料科学的进步使这成为可能，未来的光帆很可能采用纳米技术制造。

太阳帆已经不只是人们脑海中的构想了，2005年6月21日，美国Planetary Society公司和俄罗斯合作的“宇宙1”号飞船发射，虽然由于火箭的原因发射失败了，但并不说明太阳帆是不可行的。“宇宙1”号是第一艘企图以太阳光为动力的飞船，按照计划，它被发射到预定位置之后会自动打开一个面积为600平方米的花瓣形太阳帆，并进行将太阳光压变为飞船驱动力的试验。

离子发动机

离子发动机被认为是最有希望取代化学燃料发动机的现实技术。和燃料燃烧不同，离子发动机通过制造电场把带正电的离子加速向后面喷出来获得推动力。离子发动机的推力很小，仅仅和一张纸的重力差不多，但却极为高效。在地球上离子发动机是不值一提的，但在太空中却可以用很小的代价长时间地提供稳定的加速度。离子发动机已经得到现实应用了，1998年美国发射的“深空1”号探测器就以离子发动机作为主动力，“深空1”号的离子发动机创造了电能向推力转化效率的纪录。

离子发动机通过电能加速带电离子获得动力，因此需要通过其他方式为其提供电能，核电池是一种途径。但飞船能够携带的核燃料有限，目前，几乎所有飞往太阳系周边地区的星际探测器都使用的是核燃料，速度非常有限，飞往冥王星要十年左右的时间。

太阳的能源几乎是无穷无尽的，把太阳帆和离子发动机结合起来就有可能创造出一种新的星际航行方式。洛杉矶大学的一名教授提出了这种设想，通过把太阳帆换成巨大的太阳能电池阵，可以给离子发动机提供充足的能源，这样到达冥王星只需一年时间。当然，和太阳帆面临的问题是一样的，那就是如何制造那又大又轻的太阳能电池阵。

更健壮的飞船

飞船在太空面临的环境是非常险恶的，除了有先进的发动机，还需要在出现故障的时候能够及时修复，就像在地理大发现时代一样，水手们要随时对出现问题的船只进行修理。现在，科学家们甚至开始设想建造具有部分自修复功能的飞船，这样飞船在太空恶劣环境下的生存能力将大大提高。飞船在太空会经常受到一些微粒撞击，或者由于温度变化产生一些小裂纹，裂纹扩展到一定程度就会危及飞船安全。科学家们设想在飞船结构的复合材料中采用部分空心的纤维，在纤维中注满液体树脂，一旦飞船表面受损产生小裂纹，这些树脂就流出来修复这些小裂纹。这种修复原理类似于军用飞机上采用的自密封油箱。

不管是什么飞船，缺点都是明显的。太阳光只在太阳系内有足够的强度，因此太阳帆和任何以太阳为能源的飞船只能在太阳系内飞行。如果人类想到太阳系外去只能依赖别的方式。核能能够提供独立于太阳的能源，但相对于宇宙来说核电池的效率太有限了。直接采用核裂变或者核聚变会好一些，但这目前只是人们的大胆想象。

不管技术多么先进，星际旅行总是漫长和孤独的，目前的技术水平下宇航员前往火星来回就需要两年。距离太阳最近的恒星是4．3光年外的半人马座南门二，这是最有可能出现第二个太阳系文明的地方，是无数科幻小说中人类飞出太阳系之后的首选目的地。如果飞船达到三分之一光速，到达那里也需要十多年。人类能够经受住这样的考验吗?

答案是肯定的，麦哲伦环球航行花了三年，并且付出了生命。带领人前往茫茫宇宙的，并不是飞船本身，而是人类对未知世界永不停歇的探索，无论是深邃的大海，还是浩瀚的宇宙。

[责任编辑]唐宇