弯曲时空、引力弹弓……我们如何实现宇宙航行?

作者: 叶煜东

来源: 科学大院

发布日期: 2016-10-16

本文探讨了实现宇宙航行的多种方法,包括传统火箭引擎、离子推进和核能引擎、光帆、引力弹弓和曲速航行等,并通过科幻作品的引用,展示了这些技术的想象和现实应用。

“我们的征途是星辰大海”——这句话是如此地鼓舞人心,仿佛我们都是宇宙的水手,等待着探索新世界的启航号角。没错,我们身体里的金属元素都来自于恒星的中心,从某种意义上来说,我们都是属于宇宙深空的孩子。在神舟十一号太空飞船即将发射之际,就让我们以科幻作品为引,从现实中的物理出发,来看看那些奇妙的宇宙航行方法吧!

传统火箭引擎——化学引擎

为了能够前进,我们必须向着运动的相反方向掷出一定的质量,这些投掷出去的东西叫做“工质”。工质推进是目前帮助我们摆脱重力束缚、迈出离开地球母亲怀抱第一步的不可缺少方式。和喷气式飞机类似,运载火箭也是通过喷出高速气体来获得动力。

不同的是,在大气层内飞行的飞机可以通过发动机源源不断地压缩进气道吸入的空气来获得推力,而对于运载火箭,这些空气就有些捉襟见肘,很难产生足够的推力,更不说我们要去的可是接近真空的外太空了。因此,为了挣脱地球的引力,运载火箭都装载着巨量的燃料和助燃剂,这些燃料燃烧所产生的大量气体经过超音速喷嘴排出,就能推动火箭直冲云霄,将飞船送上太空轨道。

化学燃料虽然效果拔群,但是缺点也十分明显。一个最大的问题就是“又大又重”。“大”是说燃料和助燃剂占的总体积大,“重”是因为这会让火箭变得更沉。这就形成了一个两难的局面——为了飞得更高更远,燃料就需要更多,但是这反过来又让火箭变得更沉,也越耗费燃料。

离子推进和核能引擎

化学引擎送我们脱离行星引力到达宇宙空间,可远星还在召唤我们呢。这时再靠着化学燃料来实现飞船的大规模加速和减速就很不划算了。为了解决有限燃料情况下的长距离加速和减速问题,航天器就需要更高比冲的发动机。于是,离子引擎和核引擎当仁不让地站到了台前。

离子引擎和传统火箭引擎相似,只是将燃烧室换成了电离室,将喷出的气体换成了经过电离的推进剂,在电磁场作用下,将电离之后的离子约束并高速喷出。因为离子引擎比冲高的优势,携带较少的推进剂就可以获得可观的加速效果。

扬帆远航——光帆

15世纪开始,人类进入大航海时代,帆船成了挑战未知的远航之心的象征。而在宇宙大航海时代,太阳帆飞船,或者叫做光帆飞船就可以算是这里最接近传统帆船形象的飞行器了。

下雨天,当我们打着伞走在雨中的时候,握着伞柄的手能够源源不断地感受到打在伞面上的雨滴所带来的压力。类似地,不论是光还是粒子,它们打在光帆之上也会产生一定的压力。飞船就如同浴在光子或是辐射粒子“风”里的“帆船”一样,在这压力推动下不断前进。

利用空间——引力弹弓和曲速航行

爱因斯坦的广义相对论指出,大质量的物体可以让它周围的空间发生弯曲。如果把行星或恒星等大质量物体比作金属球,宇宙空间比作橡皮膜,压在一张平整橡皮膜上的金属球会产生一个凹陷。假如这时候有个小球向着这颗金属球而去,这个小球的运动轨迹会弯曲,小球在滚向凹陷的过程中也会不断地加速。这正是“引力弹弓”的基本原理——空间探测器从行星旁绕过时受行星的引力作用,运动速率增大。

如果说引力弹弓是利用了这个宇宙中的天然“地形起伏”的话,那么曲速航行就是人类移山填海,主动出击了。这里的“曲速航行”,或者叫做曲率航行、翘曲空间,本质上就是对空间的主动弯曲。

致无尽的想象

科幻作品中最重要的一个元素就是想象力。最后就让我们摆脱种种制约,释放想象,一起来看看这个宇宙中的奇葩——“黄金之心”号(Heart of Gold)飞船。它源自于英国科幻作家道格拉斯·亚当斯的《银河系漫游指南》,它的动力可谓是前无古人、后无来者:无限非概率驱动器(Improbability Drive)。

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