五、光帆
蕭楠
不久前剛寫了關(guān)于光帆的文章
《太陽(yáng)帆船》，那篇文章已經(jīng)介紹了光壓的發(fā)現(xiàn)歷史以及光帆的發(fā)展現(xiàn)狀，所以這里就重點(diǎn)介紹對(duì)于光帆未來發(fā)展的設(shè)想，可以讓兩文互為補(bǔ)充。
《太陽(yáng)帆船》一文已經(jīng)講述了光是能產(chǎn)生壓力的，所以我們可以借助這樣的壓力來作為推進(jìn)的動(dòng)力。在距離太陽(yáng)比較近的時(shí)候，還能利用一些太陽(yáng)風(fēng)的推動(dòng)力，不過光壓才是核心推動(dòng)力，因?yàn)樘?yáng)風(fēng)產(chǎn)生的壓力還不到光壓的0.1%，完全可以忽略（注意：國(guó)內(nèi)讀物上說光帆利用太陽(yáng)風(fēng)來推動(dòng)的說法是錯(cuò)誤的?。?。光帆這樣的推動(dòng)系統(tǒng)不能算發(fā)動(dòng)機(jī)，但卻是所有介紹未來宇航方式的資料中都會(huì)講述的重要方法。
由恒星產(chǎn)生的光壓帶來的推力是非常低的，這意味著利用光帆的航行的起點(diǎn)和終點(diǎn)都必須在太空中，必須由其他的宇航工具送上太空，并在太空中展開。對(duì)比而言，前面介紹的離子發(fā)動(dòng)機(jī)雖然目前推力很低，但畢竟有能夠從星球上起降的發(fā)展前景，光帆則永遠(yuǎn)需要依賴于別的手段。但如果我們將來有了大型的太空站以至太空城市的話，那么光帆用起來就方便得多了。
太空城市的光帆
首先要注意的是，為了能夠航行并且攜帶一定的有效載荷，光帆的面積必須非常巨大，才能獲得足夠大的推力。我們現(xiàn)在所試驗(yàn)的光帆都僅僅幾十米寬，但在實(shí)際應(yīng)用中，光帆的尺度需要以公里來計(jì)算。而同時(shí)，還必須特別薄，以減輕重量，目前看來最適合的物質(zhì)應(yīng)該是碳纖維制品，因?yàn)樘祭w維制成的光帆厚度可以只有幾微米，而且這種材料也是少數(shù)幾種能夠承受來自太陽(yáng)的熱和輻射的材料之一。
光帆的理論基礎(chǔ)是，當(dāng)光被反射的時(shí)候，就從光子傳遞給光帆一個(gè)動(dòng)力產(chǎn)生加速度。被反射的能量越多，獲得的動(dòng)力就越多。也就是說，光帆表面的反射性能越好，其效果就越好。
自然，在光帆方面的發(fā)展重點(diǎn)就是如何進(jìn)一步尋找這樣的可以很大、很薄、很輕、反光性好、而且不會(huì)因?yàn)殡E石的打擊而撕裂的材料。
光帆最大的好處是它們有免費(fèi)的推進(jìn)系統(tǒng)，既不需要發(fā)動(dòng)機(jī)，也不需要燃料，節(jié)省了大量的重量，而且可以長(zhǎng)期加速，這兩者結(jié)合意味著它最終能達(dá)到很高的速度。在距離太陽(yáng)1個(gè)天文單位的距離（也就是地球附近），陽(yáng)光的壓力是每平方千米9牛頓，對(duì)比起來，航天飛機(jī)的推力是要以百萬牛頓來計(jì)算。但航天飛機(jī)很快就把它的燃料用光，由于這個(gè)原因，傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的極限大概是每小時(shí)3萬英里左右，想再快的話，就必須利用行星的引力來加速。而不用燃料，能夠長(zhǎng)期加速的光帆飛行器要最終加速到每小時(shí)20萬英里并不難。也就是說從長(zhǎng)期看，光帆一定是更快的，更節(jié)省時(shí)間，這對(duì)于行星際航行，尤其是恒星際航行來說是非常重要的。我們可以用它來完成恒星際的先驅(qū)航行任務(wù)，雖然即使再發(fā)展也難以用它來完成星際間的定期航行。
利用太陽(yáng)光的話，缺點(diǎn)很明顯，首先是如同上文說的光帆的推重比極其微小，其次是當(dāng)使用光帆的飛行器遠(yuǎn)離太陽(yáng)，陽(yáng)光的密集度越來越低，壓力會(huì)越來越小，直到最終可以忽略，也不再對(duì)光帆施加壓力并產(chǎn)生加速度。
針對(duì)上述弱點(diǎn)，人們從上世紀(jì)80年代開始就提出一些辦法來解決這些問題。其設(shè)想是在繞地球軌道，或者環(huán)繞太陽(yáng)的軌道以至月球上安裝一組激光器或者微波發(fā)送器，用它們的力量來推動(dòng)光帆。由于人工的方式可以讓能量比陽(yáng)光集中，所以其效果要大大好于陽(yáng)光，并且能解決深空航行的問題。美國(guó)宇航局最近的研究說這樣的飛行器速度能最終達(dá)到光速的1/10（大約是每秒3萬公里），而有更樂觀的觀點(diǎn)認(rèn)為能達(dá)到光速的一半。
光帆
第一個(gè)提出用激光航行的人是Robert Forward，不過他提出的使用一個(gè)1000公里的透鏡、產(chǎn)生1億億瓦特激光、以及1000公里的帆這樣的設(shè)想雖然很壯觀，但實(shí)在是缺乏可操作性。所以，這個(gè)方案就被其他人進(jìn)行了修正，把效果降低，但方案變得更現(xiàn)實(shí)（盡管還是有些異想天開，比如“僅僅”1百億瓦特的微波激光）。
這樣航行方式遇到的一個(gè)困難就是，激光束在如此遙遠(yuǎn)的距離上會(huì)擴(kuò)散得很大，這就是為什么Robert Forward要建造巨帆的緣故。而且激光技術(shù)必須得到大幅度的發(fā)展，以便瞄準(zhǔn)數(shù)百萬公里外的目標(biāo)。
微波可以起到同激光同樣的效果，不過帆的設(shè)計(jì)上要有些修改，要改成金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)，但這個(gè)金屬絲網(wǎng)的縫隙必須比微波的波長(zhǎng)的一半還小。這樣的飛行器上放的應(yīng)該是無生命的機(jī)器人以及機(jī)器，由于微波在短距離上具有比激光更好的效果，所以可以更快的加速直到進(jìn)入巡航速度。雖然由于波長(zhǎng)比激光大得多從而在遠(yuǎn)距離上微波不如激光，但微波需要的能量要少于激光，距離我們現(xiàn)在的技術(shù)能力更近。
對(duì)于使用微波或者激光來航行的光帆來說，一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何在目標(biāo)附近停下來并進(jìn)入軌道。最普遍的建議是使用多重帆，比如使用兩級(jí)帆，分為內(nèi)帆和靠外的主帆，這樣，讓激光照射到靠外的主帆上，然后反射到內(nèi)帆上，這會(huì)讓外面的主帆加速遠(yuǎn)離目標(biāo)，但和飛船結(jié)合在一起的內(nèi)帆則得到減速，主帆被拋離，小一些的內(nèi)帆成為主帆并進(jìn)入軌道。
如果使用三級(jí)帆，甚至可以進(jìn)行往返飛行，停止的方式和上面一樣，到了該返航的時(shí)候，第三級(jí)則和第二級(jí)分離，來自太陽(yáng)系的激光則從第二級(jí)帆反射回第三級(jí)從而進(jìn)入回程。這要求帆具有一點(diǎn)凹面鏡的形態(tài)，以便讓反射的光束更集中。
另外一個(gè)用于停船的更有創(chuàng)造力的思路是，關(guān)掉激光束，然后飛船伸出帶電的金屬線，同恒星的磁場(chǎng)作用，來讓飛船轉(zhuǎn)入一個(gè)很淺的弧線軌道，最后再把激光束重新打開。
但是，設(shè)想雖然好，但是在實(shí)際操作中卻要遇到三個(gè)重大的問題：
第一個(gè)是激光和微波指向裝置必須非常精確，而且隨著距離越遠(yuǎn)，難度越大；
第二個(gè)是飛船只能攜帶很少的有效載荷；
第三個(gè)，也是最嚴(yán)重的問題是，這樣的距離無法和地球這里及時(shí)聯(lián)絡(luò)，如果遇到什么情況，需要地球這里進(jìn)行調(diào)整的話，根本無法進(jìn)行。比如，當(dāng)飛船距離基地只有2光年的距離時(shí)，就需要四年多才能調(diào)整，其中兩年用于無線電波返回基地，兩年多（因?yàn)橐由线@4年中飛船又走的距離）用于調(diào)整后的激光到達(dá)并產(chǎn)生效果。
對(duì)于不用激光和微波主動(dòng)加速的光帆飛船來說，問題反而簡(jiǎn)單，因?yàn)樗俣葲]那么高，所以在到達(dá)臨近恒星的時(shí)候只要利用那顆恒星的光壓減速就可以達(dá)到合適的速度，并收起光帆進(jìn)入軌道，所需要的只是有一個(gè)合適的智能系統(tǒng)來完成這一切。
而對(duì)于行星際定期航行，主動(dòng)加速的方式就可以很有用，前提是我們已經(jīng)到達(dá)目標(biāo)星球，并在那里也安裝一組激光或者微波發(fā)送器，這樣，就可以建立一個(gè)行星際的高速公路。
從
《太陽(yáng)帆船》到本文，大家已經(jīng)看到了不少光帆的圖，不知道大家注意過沒有，所有的圖片中帆的形狀基本只有兩種。
光帆的兩種基本形狀
這和光帆的用于支撐的帆桁有關(guān)，如果沒有帆桁的支撐，當(dāng)陽(yáng)關(guān)推動(dòng)帆的時(shí)候帆就會(huì)塌下來并纏到飛船上。人們?cè)O(shè)計(jì)出兩種方式來穩(wěn)定帆，并且能轉(zhuǎn)動(dòng)帆，同時(shí)還使帆盡量平展以接受更多的陽(yáng)光。上圖左邊是三軸穩(wěn)定方式（Three Axis Stabilized），右邊是旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定方式（Spin Stabilized），很明顯，每一個(gè)帆葉都是最穩(wěn)定的三角形。
三軸穩(wěn)定方式的名字來自帆桁結(jié)構(gòu)以三維方式來支撐帆體，前兩維自然是帆體的二維，第三維則和帆體垂直。將帆的邊緣（三角形的兩個(gè)邊緣）同堅(jiān)硬的帆桁連在一起可以有效防止帆垮掉。下一個(gè)要解決的問題是別讓帆桁在第三個(gè)維度上垮掉，就象被合起來的傘那樣。為此要么讓帆桁緊密結(jié)合在軸心上，要么象下圖這樣有一個(gè)突出的桅桿在第三維上進(jìn)行加固。
三軸穩(wěn)定方式
旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定方式顧名思義，就是不斷旋轉(zhuǎn)，這樣，通過離心力讓帆展開。這樣的好處是帆桁就不必太堅(jiān)硬，所以帆桁數(shù)量雖然多，反而不見得重。旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定方式的帆葉也可以更多，比如下圖這樣，這是加拿大太陽(yáng)帆項(xiàng)目的設(shè)計(jì)圖（Canadian Solar Sail Project）。
加拿大太陽(yáng)帆設(shè)計(jì)圖，點(diǎn)擊圖片放大
磁帆
這里順便說說磁帆（Magsail）。磁帆還是很新的概念，由Robert Zubrin和Dana Andrews提出。光帆利用的是光壓，而磁帆利用的是恒星風(fēng)（在我們太陽(yáng)系自然就是太陽(yáng)風(fēng)）。
磁帆的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，就是用一個(gè)直徑幾毫米的超導(dǎo)電纜（由于太空中的低溫，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)很容易）來構(gòu)成一個(gè)環(huán)。從而產(chǎn)生磁場(chǎng)偶極（dipole），并在太陽(yáng)風(fēng)中航行，它還能通過調(diào)整環(huán)的方向來產(chǎn)生一些浮力，從而能進(jìn)行航向控制。
由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磁帆恐怕要比光帆更輕也更便宜。而且也可以象發(fā)射激光那樣，用粒子加速器向磁帆發(fā)射帶電粒子，而效率可以比激光好大約6倍。并且，讓磁帆減速和機(jī)動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比光帆容易。
當(dāng)然，目前存在的技術(shù)困難也很多，發(fā)展磁帆需要在超導(dǎo)、熱控和行星磁場(chǎng)附近的操作方面獲得進(jìn)展。
星際旅行的發(fā)動(dòng)機(jī)
七、對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)火箭的改進(jìn)
蕭楠
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)趨于成熟，目前對(duì)于未來發(fā)展方向的預(yù)期主要集中于對(duì)火箭構(gòu)成材料以及化學(xué)燃料的改進(jìn)方面。
在材料方面，發(fā)展目的是盡量降低火箭的重量，同時(shí)又不降低強(qiáng)度，甚至增加強(qiáng)度。
科學(xué)家們正在探索一種新的技術(shù)，它可以使傳統(tǒng)的化學(xué)火箭變得更加“苗條”。例如有一種像蛛絲一樣的材料（是一種超薄的薄膜），可能用于制作天線或光電線路板，以取代現(xiàn)在正在使用的大而重的部件，甚至可以用于建造提供飛船能量的太陽(yáng)能帆板，使它每平米只有4-6克重。
一些合成材料，例如像用于碳化纖維網(wǎng)火箭和高爾夫球棒的合成材料，目前已經(jīng)在保證安全性的條件下，廣泛用于宇宙飛船的設(shè)計(jì)，它可降低飛船重量，但不降低其強(qiáng)度。一種被稱為“碳納米管”的新型碳材料發(fā)展很快，最好的合成材料的強(qiáng)度僅是鋼材的3到4倍，而碳納米管則是鋼材的600倍。
蘭利研究中心(美國(guó)著名的結(jié)構(gòu)和材料研究中心)主任、科學(xué)家丹尼斯·布希納爾解釋說：“這個(gè)不同尋常的強(qiáng)度來自碳納米管的分子結(jié)構(gòu)，它們看上去有點(diǎn)像雞肉卷進(jìn)了一個(gè)四周是碳原子的六角型圓柱”。典型的碳納米管大約有1.2-1.4納米(1納米只有一米的十億分之一），僅是碳原子半徑的十倍。
碳納米管
在上圖的碳納米管中，碳原子的格子像一個(gè)懸掛著的釘板。其他的原子和分子可以釘在上面并賦予納米管特殊的化學(xué)、電子或熱特性。
不同材料的強(qiáng)度比較
碳納米管的可拉長(zhǎng)強(qiáng)度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他高強(qiáng)度的材料。上圖的四個(gè)圖柱(由左到右)分別代表碳納米管，石墨纖維，芳香尼龍纖維B和不銹鋼。注意垂直軸是它們的強(qiáng)度。圖中的每一增量是10的乘方。
被國(guó)人在商業(yè)上大肆炒作的納米技術(shù)在宇航科技中卻是非常實(shí)際的東西。設(shè)想一下如果一個(gè)太空船自己有貯存能量的能力，不需要笨重的電池；或者它的表面不需要另加作用力就可以自動(dòng)彎曲；或者電路可以直接接到航天飛機(jī)內(nèi)部。當(dāng)太空船使用的材料可以按照分子等級(jí)來設(shè)計(jì)時(shí)，就可能實(shí)現(xiàn)上述的整體結(jié)構(gòu)。
人的皮膚可以自行愈合，有些性能先進(jìn)的材料也可以做到這一點(diǎn)。能自行愈合的材料由被稱為“離聚物”的長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成，當(dāng)像子彈這樣的物體靠近它時(shí)，它就會(huì)有反應(yīng)。太空船可以采用這樣的“皮膚”，因?yàn)樘罩械教幎际菑腻缧呛托⌒行前l(fā)出的快速移動(dòng)的像小子彈一樣的碎片。一旦這些鵝卵石大小沙礫中的一個(gè)擊穿太空船的盔甲，太空船就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。如果太空船的盔甲上有一層能夠自己愈合的材料，就可以保證船艙萬無一失。
人可以感受到他們身體任何部位的刺激，甚至最輕微的刺痛也可以引起人體的反應(yīng)。這是一種令人驚奇的自我監(jiān)控系統(tǒng)——可能是因?yàn)槟愕募∧w里有數(shù)百萬用顯微鏡才能觀察到的神經(jīng)末梢，它們能將這些信號(hào)傳遞給大腦。
同樣的，制造太空船應(yīng)急系統(tǒng)的材料里，也可以裝入納米大小的傳感器，這些傳感器持續(xù)不斷地監(jiān)視材料的狀況。如果某個(gè)部件出現(xiàn)故障——也就是它感覺到不妙時(shí)，這些傳感器就會(huì)在事故發(fā)生前通知中央電腦。
壓電材料
左圖是由美國(guó)宇航局蘭利研究中心研制的壓電材料，它可以“感覺”到材料的變形，例如，在它彎曲或承受表面壓力時(shí)，它就有反應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)微弱的電壓，作為一個(gè)信號(hào)傳給中央電腦。
分子電線可以將所有這些內(nèi)部傳感器傳出的信號(hào)發(fā)送到中央電腦，而不需要使用數(shù)百萬條電線來傳遞信號(hào)。納米管可以擔(dān)當(dāng)這個(gè)角色，納米管可以很方便的處于主導(dǎo)地位或是半主導(dǎo)地位，這取決于它們的構(gòu)成?？茖W(xué)家們已經(jīng)研制出其他的可伸長(zhǎng)的分子電線，它們中的一部分自然而然的組裝成有用的結(jié)構(gòu)
在燃料方面，傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般使用二元燃料，其中以氫氧反應(yīng)為多，也包括其他類型的反應(yīng)，比如我國(guó)二級(jí)火箭芯級(jí)和助推器使用四氧化二氮和偏二甲肼做燃料，但總的來說液態(tài)的氫氧還綜合性能最好的。還有許多其他類型的反應(yīng)可以提供更大的能量輸出，但卻無法被傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所利用，因?yàn)樗鼈兊漠a(chǎn)物是非氣體的，而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)必須利用氣體的噴射來提供推力，顯然那些途徑無法提供一個(gè)出路。
研究者希望，能夠保持目前的推力標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)大幅度提高比沖量。我們可能會(huì)想到利用三元燃料可能會(huì)提升能量輸出效率，許多火箭專家們也是選擇這個(gè)思路，但迄今為止的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較讓人失望，雖然的確能提高，但提高量非常小，而且還要增加發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性。
大幅度提高傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)效能的希望被寄托在高聚能物質(zhì)(HEDM)上，這個(gè)概念還是比較新的概念，而且對(duì)于實(shí)際的潛力還知道得很少。途徑是利用自由基(free radicals)或者亞穩(wěn)定原子(metastable atoms)，自由基是至少有一個(gè)未配對(duì)的電子的原子或原子團(tuán)，這使它具有高度的反應(yīng)性；由于電子能級(jí)的改變而處于亞穩(wěn)態(tài)的原子同樣具有高反應(yīng)性。研究認(rèn)為，最具有可能的是原子氫(atomic hydrogen，一種自由基)和亞穩(wěn)定氦(metastable helium)，預(yù)計(jì)其比沖量能分別達(dá)到2,100秒和3,150秒。而對(duì)比起來使用傳統(tǒng)的燃料只能達(dá)到400秒，最多不超過500秒。
在原子氫方面，問題在于如何大量生產(chǎn)，目前的技術(shù)水平還達(dá)不到大規(guī)模生產(chǎn)的能力。而且即使解決了這個(gè)問題，也需要對(duì)火箭燃料儲(chǔ)存系統(tǒng)，做大的改動(dòng)，增加強(qiáng)大的磁場(chǎng)和和低溫系統(tǒng)，這無疑將增加大量的重量，抵消了高聚能物質(zhì)節(jié)省重量增加推力的好處。
亞穩(wěn)定氦比自由基容易生產(chǎn)，使用激光或者粒子轟擊都能把原子激發(fā)到亞穩(wěn)定狀態(tài)。但儲(chǔ)存卻非常困難，因?yàn)槠鋲勖浅６虝?。事?shí)上，如果沒有根本性突破，將完全無法用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。
使用金屬氫也是被討論得很多的途徑，這種壓縮的氫可以釋放出大量的能量，比沖量能達(dá)到1,700秒以上；比重1.15，燃料本身并不重。但生產(chǎn)同樣是非常困難的，需要1.4兆巴(1兆巴等于1百萬個(gè)大氣壓)的壓力，而有科學(xué)家估計(jì)需要高達(dá)5.6兆巴，通過沖擊加熱到3,000K。儲(chǔ)存遇到的問題和亞穩(wěn)定氦一樣，因?yàn)槿绻麥p少對(duì)金屬氫的壓力，就會(huì)變成亞穩(wěn)定狀態(tài)。
這些高聚能物質(zhì)遇到的共同問題是需要以低溫固態(tài)方式儲(chǔ)存，這既難以達(dá)到，更難以保持。而我們的火箭燃料箱還要加以改進(jìn)，因?yàn)閮?chǔ)存它們需要巨大的壓力，燃料箱必須能夠承受這種壓力。如果我們無法找到承力強(qiáng)而重量輕的材料，恐怕就只有加固燃料箱一途，這意味著火箭的重量又要增加。
火箭。點(diǎn)擊圖片放大
考慮到這些問題和其在比沖量上的改善程度，對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)火箭使用的燃料的改進(jìn)恐怕不如前述的那些發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)方式更有前途。并且恐怕不適合長(zhǎng)途的星際旅行，而只適合在近地空間完成任務(wù)。
