霍金之前早有航天「炫」推進

　　

想像力磅礴的未來星際飛船

    新華網北京4月14日電 英國著名物理學家霍金日前宣布將致力於用地面雷射遠距離持續作用於太空飛行器的帆板上，使其加速至光速的五分之一，在飛行20年後抵達4光年以外的半人馬星座。姑且不論如此設想到底有多少科幻成分，回眸看看此前航天界研究的3種炫目推進技術，或許能悟出霍金如此暢想勝算幾何。

　　【航天電推進小巧靈便】

　　航天電推進系統也叫電火箭。它不用化學燃料，而是以電能加熱或電離推進劑，使其加速噴射而產生推力。

　　「SMART－1」號月球探測器

　　電推進系統的效率是目前運載火箭所用化學推進系統的10倍，具有高比衝（即消耗單位質量的推進劑所能產生的衝量）、省燃料、振動小等一系列特點。單從省燃料一點來看，電火箭完成同樣任務所需的推進劑越少，就越能大幅提高太空飛行器內的其他有效載荷，據測算最多可提高90%左右，是目前世界最先進的航天推進技術。

　　太陽能離子發動機

　　2003年9月升空的歐洲首個月球探測器「SMART－1」號，便試用了基於上述原理的太陽能離子發動機。該裝置將太陽能轉化為電能，再電離惰性氣體原子，噴射出高速氙離子流，為探測器提供主要動力。據測算，它利用燃料的效率比普通化學燃料發動機高10倍，在當時創造了連續正常運轉2000小時的世界紀錄。而去年造訪穀神星的美國「黎明」號小行星探測器，裝有3臺氙離子發動機，可使帶電氙離子以14萬公裡的時速向後噴射，提供強大動力。

　　【核能電火箭呼之欲出】

　　把航天核電源用於電推力器，便有望製成核能電火箭。與目前所用的太陽能電推進系統相比，採用更加穩定充足的核電源，可大大提高航天電推力器的比衝和推力。

　　核能電火箭由核反應堆系統、熱電轉換系統和電－推力轉換系統組成。它利用核反應堆運行時產生的熱量來加熱特定的媒介物質，使其吸收熱量後形成高溫高速的噴氣射流，從而產生推力。或者通過熱電轉換將核反應產生的能量轉換成電能，再用電能加速帶電粒子，高速噴射，產生反作用推力。核能電火箭產生的比衝可達當代最好的化學火箭的幾倍至幾十倍，可節省大量任務時間和成本。

　　美國核動力飛船想像圖

　　據測算，傳統探測器從地球飛到土星的時間約為7年，改用核能電火箭後，這一旅程可縮短至3年，從地球飛抵太陽系邊緣的時間有望從15年降至5年。

　　2009年10月，俄聯邦航天局宣布，俄將研製核動力飛船，其飛船的核反應堆功率將達兆瓦級，遠超上世紀冷戰時期造出的千瓦級核動力衛星。該計劃預計在2025年完成。

　　多國參與的核動力飛船想像圖

　　2015年9月，美國航天局表示其正在資助10年內製成小型核能電火箭發動機的試驗，其飛行試驗將選用推力為3.4噸或7.5噸的發動機，計劃中的演示驗證任務將是飛越月球。

　　【光子火箭紙上談兵】

　　也不能讓霍金老爺子的設想過於孤單，光子火箭可以和他做伴兒。

　　在大約60年前便有歐洲科學家提出光子火箭概念。它的發動機依靠光子的定向流產生推力，其主要機構部件是光子源。為了在光子源中獲得足夠大的光壓，需有將近5萬至25萬攝氏度的高溫。

　　光子火箭結構示意圖

　　具體來說，研究人員設想用反質子與質子作推進劑，利用反質子與質子相遇爆炸的湮滅反應，生成有巨大能量的光子及中微子束，並借用大型凹面反射鏡向後方噴射來產生推力。這種湮滅反應所產生的能量密度可高達每千克10的17次方焦耳，比核裂變反應放出的能量密度高3個數量級，在理論上可擁有最高比衝。經計算，幾百噸重的光子火箭作火星往返航行時，僅需幾十克反質子和質子。目前科學界已開展反質子的生產、捕集和儲存研究。

　　月球基地想像圖

　　今年2月，美國加州大學聖巴巴拉分校物理學教授菲利普·魯賓對媒體介紹了他的光子火箭設計方案——其推進系統用雷射束施放出來的光子提供推動力，使火箭飛行速度最高達到光速的四分之一。如此將100公斤的無人太空飛行器送到火星只需3天時間，把載人太空飛行器送到火星只需一個月時間，而現在單程載人赴火星理論上至少需要9個月。

　　當然，這一想法還僅停留在理論階段，今後30年內不會研究出什麼眉目。