互动科普

化学推进、离子推进、引力助推的局限

用现行的推进方式来进行星际航行是否可行呢？

现在的主流方法是“化学推进”，也就是利用燃料燃烧的化学反应产生的能量来推进。短时间大量地燃烧燃料，可在短时间内急剧加速，比如从地球表面向上发射物体的时候。但是，通过化学反应来使用燃料的方法中，真正用于把质量膨胀的比例并不大。所以用化学发动机来进行星际航行是不可能的。

那么，采用“离子推进”又会如何呢？日本的小行星探测器“隼鸟”号采用的就是离子推进的方法。它采用电能作为“推进剂”，生产离子（带电的原子），并把这些离子加速喷出用于推进。

离子推进的好处是推进所需的能量由电力提供，而电力可以通过太阳能发电的方式由外部提供。所以燃耗比非常低。虽然加速很慢，但是可以长时间不断加速。

不过，离子推进所需的电力源自太阳能，所以只能够用在火星轨道之内。在那之外太阳光开始变弱，发电量变得不足。如果用离子推进的方法来飞出太阳系的话，就得考虑用诸如“核动力电池”等方法提供的电力了。

但是，采用离子推进的加速率是非常之小的。假设依照“隼鸟”号同样的加速度无限地持续下去，到达邻近恒星所需的时间就要大约1600年，这显然是不现实的。

除此之外，还有一种加速方法，被称为“引力助推”。当探测器飞过行星附近的时候，利用行星的引力改变探测器的运动方向。这时不仅调整了运动的方向，还会使探测器相对太阳进行加速和减速。而且因为不使用燃料就能进行加速，所以效率非常高。

可是这种加速方式也存在上限。即便调整到了最理想的情况，利用引力助推的方式能够获得的加速，也只有行星公转速度的两倍。越靠太阳系外侧，行星的公转速度也就越慢，比如说，地球的公转速度大约是每秒30公里，而木星只有每秒13公里，海王星更只有每秒5.5公里左右。即便得到了理想的条件，也只能得到两倍速度的加速。而为了能够在50年内到达邻近的恒星，探测器的速度必须要达到每秒3万公里，这中间的差距太大了。

“激光核聚变推进”有较高的能量

为了实现恒星际航行，一定要有新的推进方法。其中最有竞争力的候选方案，就是被称为“激光核聚变推进”的方法。

所谓核聚变，是太阳中心实际发生的、能够产生巨大能量的现象。比如说，“氘”和“氚”之类的特殊氢元素的原子核被强行压到一块时，两个原子核会聚变成一个氦原子核。在核聚变时，元素的种类也会发生变化。这时按照相对论中的公式“E=mc²”，原子核中的一部分质量将转变成巨大的能量，比起通常的化学反应，这种核聚变反应可以放出多得多的能量。在同样质量的情况下，比起氢和氧的化学反应（燃烧），核聚变反应放出的能量可以高出1000万倍以上。

如果能够连续不断地引发这种产生巨大能量的反应并转换成推力的话，50年间飞到邻近恒星的探测器就可能变为现实。

现在的技术还无法持续地引发核聚变反应。为了引发核聚变，必须要达到类似太阳中心内部的高温、高密度的状态才行，而能够可重复地达到这一状态的方法之一，就是用高能激光去照射作为燃料的氢。虽然现在激光的能量还不够，短时间内反复照射等技术课题还尚未完成，但科学家们正在积极地推动这方面的研究。

利用激光核聚变推进的例子

图中所示，为利用激光核聚变推进的方法。探测器尾端的超导线圈中有电流流动时，就会产生磁场（图中用紫色的线表示）。先把燃料弹丸放出探测器，用强力的激光照射（1）；之后处于高温、高密度状态的燃料物质发生核聚变反应，变成等离子体（2）；等离子体流向四面八方扩散，但是磁场会把他们压回来，结果是大部分的等离子体回向后方流出，它的反作用就把探测器向前推（3）。这个过程在一秒钟内将发生几十次。

把等离子体流转换成推进力的实验成功

日本九州大学的中岛秀纪教授，一直在研究如何利用激光核聚变的方法来制造火箭或者探测器的推进器。下面介绍他的构想。

首先把作为燃料的特殊的氢塞进“弹丸”，从探测器中放出到宇宙空间，然后用激光照射这个弹丸，在合适的条件下，会引发核聚变。接着，核聚变反应释放的能量会把裹在弹丸中的氢等物质等离子体化。所谓等离子体是一种物质状态，其中的电子被剥离出原子（电离），产生出来的等离子体向四面八方扩张。在探测器上安装有“超导线圈”，当线圈中通过电流的时候会产生强力的磁场。等离子体带正电，因此会与探测器产生的磁场发生相互作用。也就是说，本来向着四面八方扩散的等离子体流碰到了磁场就像撞到了墙壁一样。

中岛教授的实验已经取得了成功，在这个实验中，他利用激光产生了等离子体，并用通电线圈产生的磁场把它转化成推动力。中岛教授说：“在这个实验中虽然并没有核聚变发生，但是它展示了等离子体流的方法可以被利用来产生出推动力，这是非常有意义的。”

他还设想，用来产生激光和超导线圈中的电流的那部分电力，所耗用的能量也可以从核聚变反应生成的能量中回收一部分。若是把用于产生磁场的超导线圈设置为其他的线圈，核聚变发生时线圈中将会有电流流动，就可以把它导入高性能的电池中存储。

一直致力于研究激光核聚变的美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室，于2003年也提出过激光核聚变推进设想，即载人火星探测器“VISTA”号。中岛教授说：“‘VISTA’号的目标是载人火星探测器，此外英国的行星协会也在计划无人星际探测器‘伊卡鲁斯’号。伊卡鲁斯是1970年代构想的旨在无人星际航行的‘代达罗斯’计划的改良版，也在探讨采用激光核聚变的推进方式。”

激光推进的方式最终能否实现，到现在还不明确，不过它已经不仅仅是一个空想的东西了。

何为磁等离子体航行？

磁等离子体航行。首先，通过超导线圈中的电流来产生磁场（1）；在这种状态下从探测器中放出等离子体，等离子体在磁场的作用下，绕线圈的外侧呈同心圆状流动。等离子体也会产生新的磁场，结果磁场开始向外扩张（2）；接下来，通过接受半人马座α星来的星风减速（3）。在理想的状态下，同心圆状的等离子体流将不会减弱，所以能够减少投入的等离子体的量。

（本文发表于《科学世界》2013年第4期）