怎样才能让航天器飞得更远？

作者：周武

日本宇宙航空研究开发机构于2010年7月9日宣布，世界靠前艘单纯依靠太阳光驱动的太空帆船“伊卡洛斯号”已成功利用太阳光压力，正在慢慢地加速。目前，“伊卡洛斯号”正在离地球约1900万千米的太空，以26千米/秒的速度向金星飞行。今天，我们就来了解一下如何才能让航天器飞得更远！

太空是一个充满未知和挑战的领域，面对人类的雄心，当前的化学火箭早已力不从心。因为，化学火箭所携带的燃料要占总重的90%以上，能量密度较低，工作时间也不长，像“长征二号F”飞行时间不到10分钟！若要飞向更远的深空和开展星际旅行，必须另辟蹊径，寻找新的“登天之梯”。

科幻小说和电影中，出现了各种更先进的推进器，比如核动力发动机、反物质发动机和光子发动机，甚至有人想到了利用太阳的光压和太阳风在宇宙中扬帆航行。

从核弹头到核反应堆，科学家已经积累了丰富的核动力知识。因此，核动力火箭看起来是离现实最近的一种。核动力火箭主要有3种形式。

（1）利用核反应堆的热能。核动力航空母舰和核潜艇都是利用核裂变反应堆的动力来转动螺旋桨，推动水和空气产生反作用力。但是，太空没有水也没有空气，必须利用喷气方式产生推力。反应堆中核子的裂变或者聚变产生大量热能，使推进剂受热迅速膨胀，然后从发动机尾部高速喷出，产生推力。这种办法必须携带许多液体推进剂，但是推重比不高。推重比是发动机推力与发动机重量的比值。好的推进系统应该是产生大推力，同时推进系统的重量小。核热推进系统的推重比不高。

（2）直接利用核反应堆的高能粒子。核反应产生许多高能粒子，这些高能粒子处于离子状态，移动速度非常快，可以利用磁场来控制它们的喷射方向，比冲可达到100万秒。不过，这种发动机需要一个很大很重的反应装置，造价也非常昂贵。

（3）利用核爆炸产生的脉冲来推动飞船，也称为核脉冲火箭。这种火箭将携带大量的低当量原子弹，一颗颗地抛在身后引爆，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。这种推进方式不仅要解决推进盘的设计制造，还需要解决如何消除核爆炸对太空环境造成核污染等难题。

1928年，英国物理学家狄拉克首先提出存在反物质的假说。他认为存在与构成普通物质的基本粒子质量相等但电荷相反的基本粒子，并存在由这样的基本粒子构成的反物质。4年后，这个假说不断得到验证。

反物质和物质相遇会湮灭，正反物质的质量将全部转化为能量。这是效率最高的燃料。目前使用化学火箭发动机，飞船从地球飞到火星需要1～2年。若采用反物质发动机，飞船飞到火星只需要24小时到2星期(取决于地球和火星在公转中的相对位置)。按每千克燃料产生的效果进行比较，化学反应最多可以产生1×107焦的能量，核裂变产生8×1013焦，核聚变产生3×1014焦，而反物质的湮灭能产生9×1016焦，这是氢氧化学反应的100亿倍，太阳核心热核反应的300倍。

制造反物质需要消耗极其庞大的能量，用什么来装反物质才确保不会与正物质湮灭爆炸，这些都需要未来的科学家开动脑筋。

早在400多年前，德国天文学家开普勒就提出利用帆船来探索星空的设想。他认为彗星尾部背离太阳的原因是受到太阳风的吹拂，可以利用这种风来推进带帆的飞行器，就像海风推动帆船一样。尽管开普勒关于太阳风的解释后来被证实是错误的(太阳风是一种高能粒子流，不能产生力)，但后世的科学家由此受到启发，发现太阳光可以对物体表面施加一定的作用力。

光射到物体表面时，将对这一表面施加压力，这称为光压。彗星尾巴背着太阳就是太阳的光压造成的。于是，就有科学家想到了利用这种压力。

德国的火箭科学家桑格尔在1953年提出了光子火箭的设想。这个由光子发动机推动的宇宙飞船由三部分组成。最后面的是动力部分，主要部件是巨大的凹面反射镜，面积可达几十平方千米。在凹面反射镜的焦点处有光子发射器，它产生的光子由凹面反射镜反射，并形成向后喷射的光子流，推动飞船高速飞行。中间是燃料贮存箱。最前面的是航天员工作和生活的密封座舱。

这个设想听起来非常美好，问题是需要多少光子才能产生合适的推力来推动火箭飞行呢？如果要用光子发动机推动火箭从地面直接起飞，那么每千克的质量需要30亿瓦能量的光。如果我们想利用太阳能来获得这些能量，就要有500平方千米的太阳能电池板。此外，为了在光子源中获得足够大的光压，需要有50 000～250 000开的高温。反射镜如何承受这样的高温？我们只有期待未来科技的发展提供答案了。

关键词：光帆

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