2019-11-04 08:14

视觉中国

科学家一直在寻找更为高效的太空旅行方式，甚至大开脑洞，构思出种种光速旅行的设想。但以目前可以预见的技术手段，人类不可能实现光速旅行，也不可能实现恒星际航行。

本报记者 付毅飞

去别的星球看一看、玩一玩，甚至干脆住下来，是许多科幻迷的梦想。科学家们也在未雨绸缪，为人类寻找“第二家园”。从火星、半人马座到开普勒452B，他们的目光越投越远。

然而现实问题是，就算找到一颗合适的类地行星，我们也没办法搬过去。面临考验的不仅是航天技术，恐怕还有人类的寿命。以电影《阿凡达》中在半人马座虚构的“潘多拉”星球为例，要前往这颗距我们4.4光年的星球，即使按太阳神2号创造的人类飞行器速度纪录（约每小时25万公里）来计算，也需要差不多2万年。

为了实现梦想，科学家一直在寻找更为高效的太空旅行方式，甚至大开脑洞，构思出种种光速旅行的设想。但中国航天科工集团二院研究员杨宇光向科技日报记者表示：“以目前可以预见的技术手段，人类不可能实现光速旅行，也不可能实现恒星际航行，除非人类对基本物理学认知上出现质的飞跃。”

光速旅行设想缺乏物理学支撑

最近，美国国家航空航天局（NASA）工程师大卫⋅伯恩斯提出了一种近光速粒子加速相对性螺旋引擎概念。他声称这种引擎无需任何燃料，就能让飞船达到光速的99%。这一概念已发表在NASA的技术报告服务器上。

不过有专家认为，该设想可能得不到物理定律的支撑。

伯恩斯的发动机原理并不复杂。一个盒子一根杆，杆上套上一个圆环，盒子里的弹簧推圆环，滑到头之后弹回来形成振荡，这样的效应会让盒子来回摆动。伯恩斯认为，如果让圆环滑动时质量增大，盒子的一端就会比另一端重，从而加速前进。要怎样才能实现这种加速呢？伯恩斯认为，狭义相对论已经提出了解决办法，那就是让物质以近光速运动，这样质量就会增加。他设想用粒子加速器代替圆环，粒子在一个冲程中迅速加速到相对论速度，而在接下来的冲程中则迅速减速。在这样的情况下，实际上可以不要盒子和杆，而将粒子加速器设计成螺旋形进行横向和圆周运动，就可以达成加速的目的。只要坚持不懈，终将使引擎速度接近光速。

然而这样的加速方法效率极低，用165兆瓦功率产生的力，仅仅跟我们敲键盘的力道差不多。更尴尬的是，这种引擎需要在完全没有摩擦力的环境下运行，稍有一点摩擦力，就足以将微弱的推力抵消，但所有惯性系统都不可能得到完全无摩擦的工作环境。

人类对光速飞行的追求由来已久。1953年，奥地利科学家尤金⋅桑格尔就提出了光子火箭的设想。

根据齐奥尔科夫斯基公式，火箭速度与发动机喷流速度成正比。那么，如果能让喷流速度达到光速，火箭不就能以光速飞行了吗？

但直到今天，光子火箭仍处于探索阶段。除了制造大量反质子所消耗的能量、用于保障光子源获得足够光压的高温等问题无法解决，其物理原理也遭遇了瓶颈。杨宇光说，齐奥尔科夫斯基公式本是一个自然对数形式，但当喷流速度接近光速时，则变成双曲正切函数形式。简单说，即使喷流速度能达到光速，火箭的加速效率还是很低，要加速到光速极其困难。

还有人提出过更天马行空的设想，例如通过曲率驱动引擎，令前方空间收缩而后方空间膨胀，使飞船速度打破光速限制。全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩对此评价：“科幻。”

近年来，有些科学家发现曲率引擎似乎没有想象中那么难，开始尝试将科幻变为现实。但杨宇光表示，曲率引擎的原理是对空间进行折叠，需要的能量达到了黑洞量级。“人类产生文明以来，收集到的所有能量，都不足以支持一艘飞船产生改变空间的能力，而且是差很多个数量级。”他说，“在目前看来，这一设想在工程上不可能实现。”

五花八门的高速飞行方案仍在探索中

既然光速旅行的梦想遥不可及，有些科学家便退而求其次，希望找到更具操作性的高速飞行方式。例如2017年，斯蒂芬⋅霍金提出了基于激光推进原理的“突破摄星”计划。

该计划以距离地球4.2光年的比邻星为目标。霍金提出，希望研制1000个几厘米大小、功能完备的探测器，在地球上建立激光器列阵，用超强光束让它们加速到光速的五分之一，这样可以在20年后到达比邻星并传回相关信息。

这项计划也不被看好。行星科学专家、中科院国家天文台研究员郑永春曾向科技日报记者表示，激光推进需要在地面建设强大激光源，不断跟踪、照射飞行器，但这么遥远的距离，怎样保证激光源能一直瞄准这么小的飞行器？另外，光的能量与距离的平方成反比，随着飞行器离地球越来越远，激光所能提供的动能也会迅速衰减。这都是难题。

杨宇光认为“突破摄星”计划在工程上根本无法实现。他说，要将几克量级的飞行器加速到每秒6万公里，所需能量相当于400吨左右TNT炸药的当量。同时需要考虑到，激光器作用距离有限，能达到100万公里就不错了，这要求加速过程要在极短时间内完成，而这是目前任何材料都无法承受的。同时，该计划还面临轨道测量、信号传输等难题。

除了使用地球上的能源之外，科学家还将目光转向了宇宙“外援”——太阳正成为科学家寄予希望的宇航动力之一。俄罗斯萨马拉大学近日发布消息称，该校专家正在研究能借助太阳光压快速移动的太阳帆飞船，其速度能达到目前人类最快探测器速度的10倍以上。记者了解到，美国太空组织“行星学会”此前已经发射光帆2号飞船对该技术进行了验证，我国也在开展相关技术研究。

杨宇光介绍，该技术利用巨大的光帆，可以将特别轻微的航天器加速到每秒数百公里量级，但对于载人飞船或是大型探测器却无能为力。同时，探测器离太阳越远，获得的动力就越弱。因此太阳帆飞船只能用于太阳系附近的无人探测任务。

在五花八门的未来航天技术设想中，太空电梯常被人津津乐道。太空电梯有几种形式，比较实用的，是从赤道附近架设“电梯”通往地球静止轨道空间站，以实现快速便捷的天地往返。

庞之浩表示，目前人类航天活动中最费力的，就是从地面发射进入太空轨道的阶段，要付出高昂的成本、消耗大量燃料。而太空电梯可以帮助人类跳过这一阶段，从更高的起点出发。

不过，太空电梯毕竟只能解决“起跑”问题，剩下的“马拉松”要想更快完成，还得依赖其他宇航动力技术。而且这也不是很快就能实现的。庞之浩说，太空电梯所用“缆绳”要有数十倍于钢材的强度、超轻的质量，以及可以接受的成本。目前唯一符合条件的材料是碳纳米管，许多国家在开展攻关，但离工程应用还很遥远。业内预测，太空电梯相关技术有望在本世纪内取得突破。

核动力火箭无法完成恒星际航行

既然上述种种设想短期内都无法实现，我们暂时还是把目光收回到当前的主流航天动力形式——火箭上吧。

庞之浩表示，常规的化学动力火箭，在推力、速度等方面基本已达到瓶颈，很难再有较大突破。不过，科学家正在对多种新型动力火箭开展研究，包括核动力、电推进、电磁驱动等。

庞之浩介绍，美国前华裔宇航员张福林创办的公司，正在设计一款“可变比冲磁等离子体火箭”。这种核电火箭据说仅需1个多月就能飞到火星，但相关技术还处于研究阶段。

美国与俄罗斯正在联合研制核动力火箭，与传统火箭每小时2万公里的速度相比，其时速可达到8万公里，能将火星旅行时间缩短到2个月。不过该方案也面临许多技术难题，还存在一个严重的副作用——核动力产生的辐射，相当于让宇航员每天拍8次X光片。与核动力相匹配的防辐射措施，目前尚待攻克。

在动力学中，“比冲”是体现发动机工作性能和推进剂能量特性的主要技术指标，以牛秒/千克或秒为单位。杨宇光说，目前常温化学燃料火箭发动机的比冲通常是300多秒，氢氧发动机为450秒左右，电推进火箭发动机最高可达1万秒。如果人类能掌握受控核聚变技术，可以让火箭发动机获得功率极高的能量来源，则有望将比冲提升10倍。“如果达到这个程度，人类将能够在太阳系内自由航行。”他说，“但对于恒星际航行，仍然差了好几个数量级，还是做不到。”

责编：李文瑶