宇宙航行设想

20世纪50年代末，美国科学家搞了个火星探测的研究性计划，即“猎户星座计划”。为此设计的“奥利安”号无人飞船，设想用间隔的核爆炸所产生的冲击波来推动。后来，科学家们又对“奥利安”号的设计进行了改进，使它成为载人恒星际航行飞船，飞向天狼星或别的恒星。巨大的飞船可装载几百名男女宇航员和他们的后代，以及维持他们的生活和工作的一切物品。飞船的核脉冲推进装置，采用小型氢弹爆炸产生动力。一颗氢弹的爆炸威力，相当于1000吨黄色炸药，每隔3或10秒钟爆炸一颗。10天之内可使飞船加速到1万千米的速度，由于速度效应，280年可以到达天狼星附近。

英国星际航行协会1973年1月，成立以阿兰·邦德为首的科学家小组，他们在“代达罗斯”研究性计划中，设计了“代达罗斯”号自动飞船，用来飞往离地球6光年的巴纳德星。由两级组成的飞船，均采用核脉冲推进。飞船总长200米，初始质量5.4万吨，其中两级的核燃料分别为4.6万吨和4000吨。

用氢的同位素氖和氦的同位素氦-3作燃料，让它们在-270℃的低温下混合，并制成直径为2至4厘米的小球。动力装置工作时，将一颗燃料小球射入发动机燃烧室。同时，几十个电子束发生器发出高能电子束，一齐轰击核燃料小球，使温度升至上千万度，氖和氦-3发生核聚变反应产生巨大的能量，推动飞船前进。如果每秒钟燃烧250颗小球，即核脉冲率达250次每秒，则推力可近似于连续。

第一级工作2.05年后与第二级分离。第二级接着工作1.76年，使飞船速度达到3.6万千米每秒。由于速度效应，大约50多年可飞到巴纳德星。在接近巴纳德星的前几年，放出探测器，对巴纳德星、它的行星及其卫星进行探测。从飞船发射时算起，大约60年后可收到“代达罗斯”号飞船的探测信息。

20世纪80年代初，弗里曼·迪森提出用微波帆来推动宇宙飞船。1984年，罗伯特·福瓦特以此设计了“星束”号宇宙飞船，它有一张直径达14米的圆形网帆，它由极细的铝丝织成，重量只有20克。在网帆上有10万亿个铝丝交叉点，每个交叉点就是一个微电子线路，它们既是计算机的元件，又可感光，具有微型针孔照相机的功能。

一座围绕地球运行的太阳能卫星电站，将电能转变为微波。在卫星与“星束”号飞船之间，设一面菲涅耳透镜，将卫星发来的微波，聚焦到飞船的帆上，开启10万亿个微电子线路，调节网帆的导电率，使帆对微波束的反射能量达到最大值，作用在网帆上的微波束的光子压力，使飞船加速。通过科学计算表明，20千兆瓦的微波束，可使飞船获得155克的加速度值，在六七天内达到1／5的光速，即6万千米每秒。由于速度效应，约20年可到达比邻星。如微波束加速的时间延长，则到达的时间还可缩短。

在飞行过程中，飞船上的超大规模集成块会自动使用网帆中的导线，作为微波天线去收集微波束的能量，然后像人眼视网膜上的光感受器一样，自动分析目标星的光谱信息，并以25张每秒的速度拍照，再通过网帆作定向天线，将探测到的信息发回地球。

激光动力飞船由于太阳能卫星电站的电能，既可以变成微波束也可以变成激光束，而且激光束比微波束发散性更小。为此，罗伯特·福瓦特于20世纪80年代末以激光束代替微波束，设计了“星集”号飞船。它由3个同轴环组成，外层为加速级，直径1000千米，中间为交会级，直径320千米，内层为返回级，直径100千米。飞船上的帆用铝膜制成，膜厚16毫微米，直径3.6千米，重约五吨。将激光束聚焦到帆上的菲涅耳透镜，直径1000千米，设在土星和天王星之间绕太阳飞行的轨道上。铝膜薄帆能反射82％的光能，让4.5％的光透过，吸收13.5％。计算表明，65千兆瓦的激光束，可使飞船获得4％的地球重力加速度值，连续加速3年，飞船可达到11％的光速，约40年可到达比邻星。

如果将激光的功率增大到43000×1012瓦，那么则可使飞船以l／3克加速，1.6年飞行0.4光年的距离，速度达到50％的光速。由于速度效应，20年可到达距我们10.8光年的E.E星系。在离E.E星0.4光年距离时，外层移位，将激光束反射到交会级上，由于作用方向相反，经1.6年减速，就可以较低速度在某颗行星上着陆，或低速飞行进行考察。全部航行时间23.2年。如果飞船在那里探测5年，然后将返回级分离出来，交会级将反射面朝向太阳系，飞船就会加速返回地球，来回时间为51年。

光子火箭推进20世纪50年代初桑格尔设想的由光子火箭推动的宇宙飞船，分三部分。最前面是供宇航员工作和生活的座舱。中间部分是燃料贮箱。最后面是动力部分，它的主要部件是巨大的凹面反射镜，面积达几十平方米。光子发生器在反射镜的焦点上，推动飞船高速前进。

那么，光子从哪里来呢？物质是由原子构成的，原子是由质子、中子组成的原子核和核外电子构成的，不同物质只是质子、中子和电子的数目不同，如氢原子核为一个质子，核外一个电子；氦核为两个质子、两个中子，核外两个电子等等。质子、中子和电子等粒子，统称为亚原子粒子。三四十年代，科学家发现，每一种亚原子粒子都有与它对应的反粒子存在，如反质子、反中子和反电子等等。正粒子组成正物质，就是我们日常接触的各种物质，反粒子组成反物质。不过，迄今在宇宙中没有找到天然的反物质，只能在高能核物理实验室制造出几种粒子。

科学家们相信在宇宙大爆炸初期，由能量创造物质时，正物质与反物质是成对出现的。与此过程相反，正物质与反物质相遇时，会双双消失（科学上叫湮灭）放出光子，同时放出锁闭在物质中的能量。桑格尔的光子火箭，设想用质子和反质子即氢与反氢湮灭来产生光子。

反物质推进人类不仅可以利用正反物质湮灭产生的光子来作宇宙飞船的动力，而且可以利用它释放出来的巨大能量来推动宇宙飞船。据计算表明，只要用9千克正反氢湮灭产生的能量，来加热4吨液氢，可把1吨重的宇宙飞船以10％光速的速度送往比邻星。因为正反物质湮灭，能100％地将物质转换成能量，而核裂变只有0.1％，核聚变也只有0.7％。正在研制的由反物质衍生的火箭燃料，冲比可达5～10万秒，这比普通火箭燃料高5～50倍。

美国人罗伯特·佩奇设想了一种反物质推进的星系际飞船，用500万年飞向离银河系最近的仙女座中的大漩涡星系。这需要10万代人的生命延续。为了保证人口质量和文化稳定（最主要的要记住从哪里来，到哪里去），需要几个种族的好几千万人同行，这就是一整个社会。因此，这艘飞船必须能提供几千亿平方米的表面积，供居住、生活和工作。飞船的质量在500亿吨以上，加上几乎同样质量的反物质（如磁悬浮状态下存贮的反铁），总质量在1000亿吨左右。其中人员和几亿吨物质只占1％。建造飞船和合成反物质，需要好几千年的时间。为了避免飞船工作时辐射出来的能量（相当全世界核武器的总能量）伤害人类，飞船应在冥王星以外的轨道上建造与组装。

飞船用所载的反物质和本身的结构材料湮灭的能量启航和加速，同时为生活、交通、工农业、商业和学校等社会功能机构提供能源。在加速500年后，达到0.2％的光速，2万年后达到8.8％的光速，4万年后达到25％的光速，5万年后停止加速时，达到40％的光速，这时飞船90％的质量已转变为能量而消耗掉，而人口则增加到10亿。飞船已飞出了银河系。5万年加速时间似乎很长，但它只是整个航行时间的1％，就像100千米行程的汽车，用1分钟加速到60千米＼小时一样。

在巡航期间，为了使飞船保持足够的热量，同时能容纳足够数量的城镇和电子、通讯、交通等系统，需要花几千年的时间，将飞船改造成卷席形。

在离目的地4万年航程时开始减速，到达目的地后，飞船原始质量的9％又被转换成了能量，人口则增加到50亿。

星际冲压飞船1克加速航行用什么能源产生动力，始终是宇宙航行的主要问题，这既关系到飞船的速度，也关系到飞船的质量。最有利的办法，当然是直接从太空获取高性能的能源材料。

氢是宇宙中普通存在的物质。在广阔的宇宙空间，虽然是高度真空，但仍然有氢分子和氢原子存在。在太阳周围的空间比较稀少，每立方厘米只有0.1个氢原子，在星际分子云中多一些，每立方厘米达4万个左右。当然，这比起地球大气来是非常稀薄的，每立方厘米的地球大气含有4万兆个氮和氧分子。

科学家们设想，在已有相当速度的宇宙飞船上，安装一个巨大漏斗形氢采集器，让它在前进过程中，把太空中的氢收集起来，然后让它进行聚变反应，用所产生的能量使飞船加速。1克氢原子聚变可产生6300亿焦耳的能量，是烟煤能量的2000万倍。由于这种飞船与冲压喷气飞机相似，所以称为星际冲压飞船。假如星际冲压飞船的初速度为16.7千米1钞，为了每秒钟收集到0.5克氢，氢采集器的直径必须在几百千米以上。

从增大速度，赢得时间来说，当然是加速度愈大愈好，但加速度过大，超重会影响人的身心健康。那么，多大的加速度合适呢？

人类长期在地球表面上生活，已习惯于承受地球重力，即1克重力加速度。如果星际冲压飞船以1克加速飞行，人在飞船上生活和工作，既不会有超重，也不会有失重，与在地球表面上一样。

1克加速，速度增加是很快的，2年（地球上3.8年）可达到97％的光速，飞过2.91光年的距离。如果是到11.8光年的天苍五（金鱼座星）去考察，则在飞过航程中点以后，将飞船调转180度，就会以1克减速飞行，最后以较低速度到达，考察1年后以同样的程序返回，来回约七八年（地球上20多年）。如是在宇宙中周游，飞船连续加速，12年飞出银河系；14年飞过仙女座星系；20年飞过100亿光年的距离。如果宇宙是球形的，周长900亿光年，则飞船已经绕了宇宙1／9圈。由于飞船的速度已非常接近光速，速度效应非常显著，只要1～2年的时间就可飞过剩下的8／9圈，而回到地球。当然，地球上已过了900亿年时间。