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(zhù)名物理學(xué)家霍金日前宣布，將致力于用地面激光遠距離持續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4光年以外的半人馬星座。

　　這個(gè)想法看起來(lái)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)，也不比霍金的計劃差。

　　小巧靈便的電推進(jìn)

　　航天電推進(jìn)系統也叫電火箭。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?lài)娚涠a(chǎn)生推力。

　　電推進(jìn)系統的效率是目前運載火箭所用化學(xué)推進(jìn)系統的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(lái)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(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(yáng)能離子發(fā)動(dòng)機。該裝置將太陽(yáng)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(dòng)力。據測算，它利用燃料的效率比普通化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機高10倍，在當時(shí)創(chuàng )造了連續正常運轉2000小時(shí)的世界紀錄。而去年造訪(fǎng)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，可使帶電氙離子以14萬(wàn)公里的時(shí)速向后噴射，提供強大動(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(yáng)能電推進(jìn)系統相比，采用更加穩定充足的核電源，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(shí)產(chǎn)生的熱量來(lái)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?；蛘咄ㄟ^(guò)熱電轉換將核反應產(chǎn)生的能量轉換成電能，再用電能加速帶電粒子，高速?lài)娚?，產(chǎn)生反作用推力。核能電火箭產(chǎn)生的比沖可達當代最好的化學(xué)火箭的幾倍至幾十倍，可節省大量任務(wù)時(shí)間和成本。

　　據測算，傳統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(yáng)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，其飛船的核反應堆功率將達兆瓦級，遠超上世紀冷戰時(shí)期造出的千瓦級核動(dòng)力衛星。該計劃預計在2025年完成。

　　2015年9月，美國航天局表示其正在資助10年內制成小型核能電火箭發(fā)動(dòng)機的試驗，其飛行試驗將選用推力為3.4噸或7.5噸的發(fā)動(dòng)機，計劃中的演示驗證任務(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)與霍金的設想非常類(lèi)似。它的發(fā)動(dòng)機依靠光子的定向流產(chǎn)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，需保持超高工作溫度。

　　具體來(lái)說(shuō)，研究人員設想用反質(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，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(lái)產(chǎn)生推力。這種湮滅反應所產(chǎn)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(gè)數量級，在理論上可擁有最高比沖。經(jīng)計算，幾百?lài)嵵氐?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/光子火箭">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(kāi)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計方案——其推進(jìn)系統用激光束施放出來(lái)的光子提供推動(dòng)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(wú)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，而現在單程載人赴火星理論上至少需要9個(gè)月。

　　當然，這一想法還僅停留在理論階段。