编者按：《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂，以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实，展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程，说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能，还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意，他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的，有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗？”等框图形式在文中给出。 

火箭是实现飞天梦的推手（之六）

王柏懿

3.6 未来还会有什么样子的火箭

　　当然，火箭也不会消失的。它会继续不停地发展的。 

　　自从1957年苏联发射第一颗人造卫星以来，整整过去了六十年，一个甲子啊！如今，人类不仅在各种不同的轨道上（如，近地轨道、地球同步轨道、太阳同步轨道、极地轨道等等）布置了各种功能不同的卫星，不仅将航天员送入了太空、登上了月表，还发射了许多深空探测器飞往火星、土星、冥王星。然而，人类的探索步伐是不会停止的，我们还要在月球上建立基地，还要向火星上大量移民，还想飞往另外一个恒星……但是，就是使用目前性能最好、以氢氧为燃料的 

　　化学火箭，要实现恒星际载人航行，到达最近的恒星也要几万年；就算是在太阳系内进行行星际航行，也要几年到几十年的时间。因此，目前人们只能发射一些小小的深空探测器，要完成载人的宇宙航行简直是无法想象的啦！ 

　　所以，小朋友们就明白了：科学家和工程师为什么要发展效率更高、性能更好的运载火箭。你们可能看过不少的科幻大片，什么《外星人》啦，《星际穿越》啦，《星球大战》啦，《地心引力》啦，《异形》啦，《阿凡达》啦，还有什么《2001太空漫游》啦，《天地大冲撞》啦，《冲击宁静号》啦，《银河系漫游指南》啦，《超时空接触》啦，等等。那里出现了形状各异、功能非凡的“飞船”，可真是令人眼花缭乱的。 

　　不过，那里面有太多的艺术家的夸张，咱们这里还是集中在科学家的设想上吧！对于未来的火箭，除了前面说过的电火箭、原子能火箭、太阳能火箭等设计以外，科学家还提出过光子火箭、反物质火箭等等方案。小朋友可以发现，它们都有一个特点：不再是依靠推进剂的化学反应——燃烧所产生的能量来工作了。还有一些火箭根本就摒弃了使用推进剂的做法。所以，你们要记住啊：只有突破原有的思路，才可能有所创新！ 

　　这里就从“代达罗斯计划”谈起。它是英国在1973-1978年间执行的一个研究计划，目标是使用核聚变火箭推进飞船抵达太阳系外的另一个恒星——距地球6光年之远的巴纳德星。按照设计，氘和氦-3组成的混合燃料球由高能电子束在反应室中点燃并爆发，爆发产生的离子气在磁场的约束下以10000千米/秒的速度排出喷管，从而推动飞船前进。代达罗斯火箭有两级，第一级火箭有6个燃料罐，工作2年，把飞船加速到光速的7.1％。第二级火箭有4个燃料罐，工作1.8年，把飞船加速到光速的12％。 

　　你们知道吗？这艘由核聚变火箭推进的飞船，也要花上46年这样漫长的时间才能抵达巴纳德星。为了实现这个目标，飞船竟然要携带5万吨燃料！能有什么办法避免这种问题发生呢？有一位物理学家布萨德，他曾提出一种不需要携带核燃料的方案：先把太空中的氢电离，然后利用磁场吸收氢离子，这些氢再被压缩到位于太空舱后部，作为核聚变燃料。由于星际空间中氢物质很少，因此这个磁场必须要足够大才可行，甚至要延伸到数千千米之外。这里的难题是：巨大的磁场怎么才能实现呢？ 

　　现在，咱们简单地聊一聊“光子火箭”和“反物质火箭”吧！如果说，原子能火箭、太阳能火箭还有许多技术问题没有解决，那么这两种火箭大概就是“纸上谈兵”的设想了。光子火箭是直接让光子向火箭的后方喷出来产生推力的。因为光子流的速度可以接近光速，所以从理论上讲，火箭能够以接近或达到光速的速度飞行。这简直要令人发狂！大家都知道，光速是现在所发现的自然界物体运动的最大速度。当然喽，这里的关键是怎样才能生成大量的光子流？德国科学家桑格尔提出用正氢和反氢相遇的办法来产生光子。他建议的光子火箭由三个部分组成：前面是航天员座舱，中间是正氢、反氢的储箱，最后的动力部分是一个巨大的凹面反射镜。在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，形成向后喷射的光子流。 

　　而反物质火箭，也是利用正、反两种物质相遇便会自然发生的“湮灭”效应，这时它们的质量全部转化为能量——光能。利用这种“双消灭反应”所释放出的能量来加热液氢并使之从喷口射出，这样就产生了推力。由于反物质的湮灭所产生的能量是氢氧化学反应的1百亿倍，所以反物质火箭只需要携带一点点燃料。科学家做过估算，只需要几到几十毫克的反物质就能帮助人类实现登上火星的梦想，而且只需要6周时间。尽管这种火箭所需的反物质很少，但是反物质在自然界中并不存在，如何生产出反物质却是个大问题。据说，目前的大型强子对撞机需要花上1千年的时间才能制造出1微克的反物质！也许哪位小朋友将来能发明一种高效制造反物质的办法来？ 

　　细心的小朋友可能发现了上面所谈到的发动机都是要有“工质”的，或者说要有燃料，让它从喷管里喷射出来推动火箭前进。但是问题就来了：深空探测需要长时间、远距离的飞行，那得携带多少燃料啊！前面在介绍代达罗斯飞船时就提到了这个问题。所以，科学家又开动脑筋，设想飞船自身不带燃料的办法。对呀！刚才也提到了太阳能是用之不竭的免费能源。咱们可以不用它来加热液氢燃料，而是想法子直接利用太阳光嘛！ 

　　这种方案就是“太阳帆”。其实，1610年，德国天文学家开普勒在写给伽利略的一封信中，就曾提出“几百年后人类将会驾驶一种不需携带燃料仅仅依靠太阳光为推力的飞船遨游太空”的想法。小朋友们不妨试想一下：400年前的世界是个什么样子？那时候连飞机都没有，他却想象出太空飞船，这简直是比做梦还要做梦。接着，法国科幻作家凡尔纳在1865年出版的《从地球到月球》里也提出了“没有发动机、用太阳光做动力的航天器”。 

　　然而，这些“梦”竟然快要成真了！现在美国、俄罗斯、日本等国家都已经开始研发这种太空帆船。美国和俄罗斯合作研制了由8片三角形聚脂薄膜帆板构成的“宇宙1号”， 在2001年和2005年进行过两次发射试验，但均以失败告终。2010年，日本成功试飞过一枚风筝形状的航天器，以希腊神话人物伊卡洛斯命名。它把一个探测器“拂晓号”送往了金星。此外，2015年以来，美国也进行了“光帆1号”、“纳帆D”的飞行试验。 

　　太阳帆是怎么工作的呢？这种新型推进器是依靠太阳光粒子吹向光帆的压力（可以叫做“光压”）来提供推力的。可是，有小朋友会问：我们每天都被阳光照射着，也没感觉到什么压力呀？的确，单个光子所产生的推力极其微小，太阳光在1平方米帆面上产生的推力还不到一只蚂蚁的重量。对了，小朋友很聪明：咱们可以做很大很大的帆啊！如果太阳帆的直径为300米，那么由光压获得的推力为34千克力。由于来自太阳的光线提供了无穷尽的能源，携有大型太阳帆的航天器在太空无阻力的情况下，开始以每秒约1毫米的速度加速移动，1天后时速达到160千米，3年后时速是16万千米，最终可以以每小时24万千米的速度飞行，抵达冥王星也就需要4年多的时间。但是，它的致命问题是只能在太阳系内工作，远离太阳后无法继续加速前进了。而且，怎样来控制好光帆的姿态也是一个大难题喔，尤其是那么大型的光帆。 

　　这样，咱们是否可以考虑不要那么大的光帆？是否可以在开始时使用比太阳光强烈的激光照射一下光帆，使它产生极高的速度？哈哈，著名科学家霍金联手俄罗斯大亨米尔纳和美国“脸书”创始人扎克伯格，在2016年发布的“突破摄星”计划，就是这个想法。他们要建造、发射数千个纳米飞船，前往半人马座阿尔法星。这种新型飞船只有邮票那么大，重量只有几克重。纳米飞船的芯片（取名为“星片”）仅有二、三厘米见方，“星片”上安装有4米宽的光帆，从地面发射高能激光束来推动光帆，微型飞船会以五分之一光速的速度前进。要知道，阿尔法星系是距离太阳系最近的恒星系，其中还有一颗和地球有着近似质量的行星，有可能成为人类下一个家园。如果按照使用目前的化学能、电能等常规火箭，要想到达半人马座阿尔法星，可是需要3-4万年的时间啊！而使用这种激光驱动的光帆，抵达的时间缩短为20-40年。 

　　这个大胆计划发布以后，不少人批评是“科幻”甚至是“忽悠”。但是，“敢于突破”的精神，才是科学技术不断创新的推动力。你们年轻一代要有志气，不要受前人思路的限制，完全可以打开脑洞、放飞异想，走出自己的“飞天”路子。 

（未完待续）