超空間引擎、曲速和《三體》無工質核聚變引擎，哪個最容易實現？

2020-10-18 星辰大海種花家

這三種都是在科幻大片和小說經常出現的引擎，無論是超空間引擎還是曲速引擎，以及獲得「星雲獎」的《三體》中無工質核聚變推進引擎，這些聽名字就是高大上的技術，哪種最容易實現？哪種的推進效率最高？

《三體》中的無工質核聚變推進引擎是什麼東西，真的是無工質嗎？

如果看過《三體》的話，相信大家一定對那個章北海利購買隕石、暗殺堅持工質推進引擎的元老那一幕記憶猶新，這讓大家看得有點雲裡霧裡，工質是什麼東西？哪種才是真正的無工質推進？

其實那些堅持工質推進的元老們支持的發東西，在冷戰時期美蘇就已經論證並付諸實施過，而且測試後性能非常優越，甚至比現代火箭發動機都要優秀得多，不僅是它的推重比，還有它的比衝！比衝的的定義是單位推進劑的量所產生的衝量，這個數值越大越好！

常見發動機的比衝

渦扇發動機很明顯比較大，但很可惜它需要大氣層中的氧氣，無法在真空中工作！而離子推進比衝極大，不過非常可惜它推力很小！固體火箭和液體火箭比衝不夠，但推力適中，因此它們的用途最廣泛！

當年美蘇研發的核火箭是核裂變火箭，它利用核裂變產生的高溫加熱氫氣，使其噴氣速度達到6500～11000米/秒，這比固體和液體火箭都要高得多，它的比衝大約在250～1000秒左右，之所以沒有實用是因為誰都不願意一個放射性「炸彈」在天上飛，一旦故障，實在是太可怕了！

無工質核聚變推進引擎

前文所謂的核裂變火箭是高溫加熱氫氣，元老們支持的核聚變火箭是利用核聚變高溫加熱工質，然後高速推進，兩者缺一不可！而章北海所支持的引擎則是利用核聚變後的帶電粒子輻射的反作用力取得的前進動力！

只要有核聚變燃料飛船就能繼續前進，這種飛船的原理是這樣的：核聚變高溫中比如氘氚聚變！了氦，它會釋放出一個中子！如上圖，一個質子一個中子的氘和一個質子一個2個中子的氚，聚變成兩個質子和兩個中子的氦4，會發射出一個多餘的中子！

而氦四的原子核在高溫下是帶正電的，因此可以被電場加速到極高的速度！當然還有電離後的電子，它有些類似於離子發動機，但它還有一部分推進動力來自於全波段的電磁輻射！這就是「無工質」核聚變引擎的推進原理！

這個無工質其實是有工質的

因為這種引擎輻射的高能粒子和電子都屬於介質，因此它也只能被稱為工質發動機，只是它的工質是自身，省去了攜帶大量額外工質的壓力，因此要稱它為「無工質」引擎在某些角度上也行！

從效率來看，使用工質要更高一些，因為它利用了推進效率上最差的全波段電磁輻射，比如太陽光也是有光壓的，如果用它來推進，那麼面積也許要達到數百米甚至數公裡直徑！但如果能將太陽光轉換為電能，那麼只需要千瓦電力即可產生數十毫牛甚至更大的推力！比光帆的效率要高出很多倍！

但離子發動機需要裝載燃料，燃料耗盡，飛船就無法再加速了，但光帆不一樣，只要有陽光，它將一直能飛，甚至可以減速再加速！而無工質核聚變推進就是自帶陽光和光帆的那種！

超空間引擎和曲速引擎又是咋回事？

其實所謂的超空間引擎和曲速引擎是同一回事，都是利用空間的彈性來驅動飛船前進！狹義相對論中可以推導出物體的速度不可能超過光速，但我們也知道，宇宙的膨脹卻不受這個速度的限制，而曲速引擎就是利用空間的膨脹來驅動飛船的前進。

《星球大戰》和《巴比倫五號》中的是超空間引擎，《星際旅行》和《星際迷航》中則是曲速引擎，而在《三體》中則是曲率引擎，前兩者沒什麼不同，而後者則有很大的區別！

曲速引擎有幾個關鍵：前方空間壓縮、後方空間拉伸，飛船包裹在一個彎曲空間形成的曲速泡中，當後方的膨脹空間和壓縮空間裹挾著曲速泡高速飛行時，其實飛船相對於曲速泡內的空間是靜止的，運動的只是空間而已，所以飛船內的時間體系和出發點基本同步的！

曲率引擎和曲速引擎相比，少了一個關鍵的曲速泡，因此曲率飛船遵守狹義相對論中的洛倫茲變換原理，也就是無限接近光速時，飛船內的時間體系不再和出發地同步，而是有一個非常大的交換比，而這個交換比可能會很大，甚至接近無窮！

不過就具體而言，這兩種技術人類都無法實現，因為能克服相對論限制的曲速引擎的關鍵在於飛船前後幾個子空間場改變了所包覆物體所感的重力常數，使得中間的飛船在「非對稱蠕動場」操控獲得推進力，但這種高大上的引擎實現起來極其困難！

早期實現曲速引擎需要大量的負能量，但將曲速泡改成曲速環後降低了對負能量的需求！但對能量的需求依然巨大，Chris Van Den Broeck於一篇1999年的論文中評估了其能量需求，曲速方式運送幾個原子的能量需要三個太陽質量的能量，但後來Van Den Broeck的度規稍微修改，Sergey Krasnikov可以將負能量總需求縮減到幾個毫克！

但什麼是負能量？暗能量有些類似，但它並不是負能量，不過即使如此我們也沒搞懂暗能量到底是什麼！科學家將這種物質定義為了奇異物質，也許宇宙某處還真存在這種物質，那麼如何找到它們呢？

就三者而言，相對來說「無工質」的核聚變推進可能性還是大點，這不ITER不是有了一點新進展麼，也許只要再過十年八年的就實現了呢！

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