深度：霍金激光加速以外還有哪些“超炫”的推進(jìn)技術(shù)
英國著名物理學(xué)家霍金日前宣布，將致力于用地面激光遠(yuǎn)距離持續(xù)作用于航天器的帆板上，使其加速至光速的五分之一，在飛行20年后抵達(dá)4光年以外的半人馬星座。
這個(gè)想法看起來很科幻。其實(shí)此前航天界已在研究三種很“炫”的推進(jìn)技術(shù)，也不比霍金的計(jì)劃差。
小巧靈便的電推進(jìn)
航天電推進(jìn)系統(tǒng)也叫電火箭。它不用化學(xué)燃料，而是以電能加熱或電離推進(jìn)劑，使其加速噴射而產(chǎn)生推力。
電推進(jìn)系統(tǒng)的效率是目前運(yùn)載火箭所用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)的10倍，具有高比沖(即消耗單位質(zhì)量的推進(jìn)劑所能產(chǎn)生的沖量)、省燃料、振動(dòng)小等一系列特點(diǎn)。單從省燃料一點(diǎn)來看，電火箭完成同樣任務(wù)所需的推進(jìn)劑越少，就越能大幅提高航天器內(nèi)的其他有效載荷，據(jù)測算最多可提高90%左右，是目前世界最先進(jìn)的航天推進(jìn)技術(shù)。
2003年9月升空的歐洲首個(gè)月球探測器“SMART-1”號，便試用了基于上述原理的太陽能離子發(fā)動(dòng)機(jī)。該裝置將太陽能轉(zhuǎn)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?jiǎng)恿?。?jù)測算，它利用燃料的效率比普通化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)高10倍，在當(dāng)時(shí)創(chuàng)造了連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)2000小時(shí)的世界紀(jì)錄。而去年造訪谷神星的美國“黎明”號小行星探測器，裝有3臺氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)，可使帶電氙離子以14萬公里的時(shí)速向后噴射，提供強(qiáng)大動(dòng)力。
呼之欲出的核電火箭
把航天核電源用于電推力器，便有望制成核能電火箭。與目前所用的太陽能電推進(jìn)系統(tǒng)相比，采用更加穩(wěn)定充足的核電源，可大大提高航天電推力器的比沖和推力。
核能電火箭由核反應(yīng)堆系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電-推力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。它利用核反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量來加熱特定的媒介物質(zhì)，使其吸收熱量后形成高溫高速的噴氣射流，從而產(chǎn)生推力。或者通過熱電轉(zhuǎn)換將核反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能，再用電能加速帶電粒子，高速噴射，產(chǎn)生反作用推力。核能電火箭產(chǎn)生的比沖可達(dá)當(dāng)代最好的化學(xué)火箭的幾倍至幾十倍，可節(jié)省大量任務(wù)時(shí)間和成本。
據(jù)測算，傳統(tǒng)探測器從地球飛到土星的時(shí)間約為7年，改用核能電火箭后，這一旅程可縮短至3年，從地球飛抵太陽系邊緣的時(shí)間有望從15年降至5年。
2009年10月，俄聯(lián)邦航天局宣布，俄將研制核動(dòng)力飛船，其飛船的核反應(yīng)堆功率將達(dá)兆瓦級，遠(yuǎn)超上世紀(jì)冷戰(zhàn)時(shí)期造出的千瓦級核動(dòng)力衛(wèi)星。該計(jì)劃預(yù)計(jì)在2025年完成。
2015年9月，美國航天局表示其正在資助10年內(nèi)制成小型核能電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)，其飛行試驗(yàn)將選用推力為3.4噸或7.5噸的發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃中的演示驗(yàn)證任務(wù)將是飛越月球。
“紙上談兵”的光子火箭
大約60年前歐洲科學(xué)家提出了光子火箭的概念，其實(shí)與霍金的設(shè)想非常類似。它的發(fā)動(dòng)機(jī)依靠光子的定向流產(chǎn)生推力，其主要機(jī)構(gòu)部件是光子源。為了在光子源中獲得足夠大的光壓，需保持超高工作溫度。
具體來說，研究人員設(shè)想用反質(zhì)子與質(zhì)子作推進(jìn)劑，利用反質(zhì)子與質(zhì)子相遇爆炸的湮滅反應(yīng)，生成有巨大能量的光子及中微子束，并借用大型凹面反射鏡向后方噴射來產(chǎn)生推力。這種湮滅反應(yīng)所產(chǎn)生的能量密度可高達(dá)每千克10的17次方焦耳，比核裂變反應(yīng)放出的能量密度高3個(gè)數(shù)量級，在理論上可擁有最高比沖。經(jīng)計(jì)算，幾百噸重的光子火箭作火星往返航行時(shí)，僅需幾十克反質(zhì)子和質(zhì)子。目前科學(xué)界已開展反質(zhì)子的生產(chǎn)、捕集和儲存研究。
今年2月，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校物理學(xué)教授菲利普·魯賓對媒體介紹了他的光子火箭設(shè)計(jì)方案——其推進(jìn)系統(tǒng)用激光束施放出來的光子提供推動(dòng)力，使火箭飛行速度最高達(dá)到光速的四分之一。如此將100公斤的無人航天器送到火星只需3天時(shí)間，把載人航天器送到火星只需一個(gè)月時(shí)間，而現(xiàn)在單程載人赴火星理論上至少需要9個(gè)月。
當(dāng)然，這一想法還僅停留在理論階段。
