彎曲時空、引力彈弓、超空間我們如何實現宇宙航行？

科技 08-21

「我們的征途是星辰大海」——這句話是如此地鼓舞人心，彷彿我們都是宇宙的水手，等待著探索新世界的啟航號角。

沒錯，我們身體里的金屬元素都來自於恆星的中心，從某種意義上來說，我們都是屬於宇宙深空的孩子。

在神舟十一號太空飛船即將發射之際，就讓我們以科幻作品為引，從現實中的物理出發，來看看那些奇妙的宇宙航行方法吧！

傳統火箭引擎——化學引擎

為了能夠前進，我們必須向著運動的相反方向擲出一定的質量，這些投擲出去的東西叫做「工質」。工質推進是目前幫助我們擺脫重力束縛、邁出離開地球母親懷抱第一步的不可缺少方式。

和噴氣式飛機類似，運載火箭也是通過噴出高速氣體來獲得動力。不同的是，在大氣層內飛行的飛機可以通過發動機源源不斷地壓縮進氣道吸入的空氣來獲得推力，而對於運載火箭，這些空氣就有些捉襟見肘，很難產生足夠的推力，更不要說我們要去的可是接近真空的外太空了。因此，為了掙脫地球的引力，運載火箭都裝載著巨量的燃料和助燃劑，這些燃料燃燒所產生的大量氣體經過超音速噴嘴排出，就能推動火箭直衝雲霄，將飛船送上太空軌道。

圖1. 火箭引擎的原理圖，燃料在燃燒室中燃燒後由噴管噴出從而產生推力。來自於維基百科英文頁面

火箭引擎中，化學引擎這種上古的方式在科幻作品中雖然已經被各自炫酷引擎擠壓得生存空間愈發狹小，但是卻仍然頑強地佔據著一席之地，誰讓它是經典呢？每一次的點火，伴隨著升騰起的火焰和煙霧，那昂然升空的火箭總能激起我們探索未知的無盡鬥志。

圖2. 《安德的遊戲》劇照，升空中的運輸火箭。化學引擎釋放出灼熱尾焰，同時伴隨著巨大的煙霧

圖3. 運載天宮二號的長征二號F火箭點火升空時的壯觀景象，充滿了力拔千鈞地氣勢。照片來自新華網。

化學燃料雖然效果拔群，但是缺點也十分明顯。一個最大的問題就是「又大又重」。「大」是說燃料和助燃劑占的總體積大，「重」是因為這會讓火箭變得更沉。這就形成了一個兩難的局面——為了飛得更高更遠，燃料就需要更多，但是這反過來又讓火箭變得更沉，也越耗費燃料。

現實當中，人類至今推力最大的運載火箭是土星五號（Saturn V），當年它為了將總重量約50噸的阿波羅飛船（Apollo）送入月球軌道，必須攜帶2721噸重的燃料及助燃劑，這些重量足足可以填滿數個標準尺寸的游泳池。相比之下，火箭各推進級的凈重只有178噸。所以，別看現實中的火箭都是圓柱狀，各部分的重量可都是經過細細考量的。

離子推進和核能引擎

化學引擎送我們脫離行星引力到達宇宙空間，可遠星還在召喚我們呢。這時再靠著化學燃料來實現飛船的大規模加速和減速就很不划算了。這就好像開著一輛堪稱「油老虎」的跑車，想要來個橫跨大陸的旅行卻又只能依靠小小的油箱，又如何能夠享受風馳電掣的爽快？

為了解決有限燃料情況下的長距離加速和減速問題，航天器就需要更高比沖的發動機。這裡的比沖是個專有名詞，《軍事大辭海》中給出的定義是「單位流量推進劑(燃料)產生的推力,或單位重量推進劑產生的衝量」。簡而言之，在攜帶同樣質量的推進劑的前提下，比沖越大，推進劑使用的效率就越高。於是，離子引擎和核引擎當仁不讓地站到了台前。

離子引擎和傳統火箭引擎相似，只是將燃燒室換成了電離室，將噴出的氣體換成了經過電離的推進劑，在電磁場作用下，將電離之後的離子約束並高速噴出。因為離子引擎比沖高的優勢，攜帶較少的推進劑就可以獲得可觀的加速效果。

圖4. 離子推進原理示意圖，看上去是不是和火箭引擎很像？來自於維基百科英文頁面

在去年熱映的電影《火星救援》（The Martian）里，赫爾墨斯號（Hermes）飛船在前期使用化學燃料推進到達火星轉移軌道之後就改由先進的離子發動機來加速，通過以超高速將氬原子向後拋射獲得飛船整體的微小加速度，讓飛船最終達到相當的速度，於是只花費了124天時間就到達了火星。

圖5. 赫爾墨斯號火星飛船。作為一艘遠距離航行飛船卻沒有體積巨大的燃料艙，離子發動機功不可沒。

不過這裡也說出了離子發動機的弱點。那就是推力還不夠大，要想獲得大的加速，需要犧牲空間和時間，通過長距離的持續加速來換取最終的高速。

現實之中，離子引擎已經不再是幻想，1998年發射升空的美國宇航局探測器深空一號（Deep Space 1）就是人類歷史上第一艘使用這種推進方式的飛船，它在宇宙航行過程中雖然遭遇到一些技術問題，但是仍然成功地對包瑞麗彗星（Comet Borrelly）進行了探測。

圖6. 深空一號的藝術效果圖。作者Don Foley，來自噴氣推進實驗室（JPL）網站。

圖7. 安裝在深空一號上的2.3 kW離子推進器試車照片，可以看見美麗的淺藍色離子焰。來自於維基百科英文頁面

除了離子引擎，被無數科幻作品所青睞的還有核動力引擎。

自從人類發現核能以來，核動力引擎就慢慢取代了普通火箭引擎成為科幻世界中高科技時代的「常規動力」。核反應的巨大能量有目共睹，通過核能來加熱加速推進劑比直接一把火燒掉要經濟得多。從某種意義上來說，核引擎算是通過電磁場來實現推進劑加速的離子引擎的升級版本。

現實中，科學的不斷進步不斷給予科幻作家以新的靈感，科幻小說裡面關於核引擎的設定也越來越仔細、越來越完備。從早期的模糊的「核引擎」到具體的「核聚變引擎」，兩個字的增加，就讓宇宙水手們把小太陽裝在了自己的船上。

相比傳統引擎，核聚變引擎可謂是優勢滿滿。除了十分可觀的比沖外，引擎的燃料——氫和它的同位素氘是這個宇宙中最不缺乏的資源之一了，不論是邊飛邊從宇宙空間收集還是到大型氣態行星大快朵頤一餐都能解決燃料的問題。

圖8. 來自於《2001太空漫遊》的核動力飛船「探索者1號」，擁有球狀的乘員艙和尾部巨大的核能引擎艙。

但是，別看核動力的單人小艇在未來世界裡都已經見慣不怪，但核能引擎在現實中卻依然沒能實現。受限於物理學和材料學，目前的受控核聚變還不能夠隨心所欲釋放能量，探測器上能夠稱得上核能的也只是小小的同位素電池或是加熱器。

不過，核能發動機的夢想總是要有的，萬一哪一天實現了呢？

揚帆遠航——光帆

15世紀開始，人類進入大航海時代，帆船成了挑戰未知的遠航之心的象徵。而在宇宙大航海時代，太陽帆飛船，或者叫做光帆飛船就可以算是這裡最接近傳統帆船形象的飛行器了。

下雨天，當我們打著傘走在雨中的時候，握著傘柄的手能夠源源不斷地感受到打在傘面上的雨滴所帶來的壓力。類似地，不論是光還是粒子，它們打在光帆之上也會產生一定的壓力。飛船就如同浴在光子或是輻射粒子「風」里的「帆船」一樣，在這壓力推動下不斷前進。

古典帆船不需要螺旋槳，只要有風就能航行，光帆飛船亦只需要「粒子風」。這意味著一個巨大的優勢：可以去掉推進劑和引擎，從外部提供動力，讓飛船本身的重量得到極大的削減。

在劉慈欣的科幻作品《三體》之中，為了向一光年外正在往地球進發的三體艦隊發射一顆能夠儘快到達的飛行器，彼時的人類提出了一個「階梯計劃」。這個計劃中的飛行器便是擁有著巨大輻射帆的光帆飛船，通過依次引爆在預定飛行軌道上從地球到木星軌道之間的近千枚核彈，利用其爆炸產生的輻射作用於光帆帶來持續的加速，最終使追求極致輕量化的飛船達到了光速的百分之一。

可喜的是，光帆飛船現在已經不再是紙面上的設定，而慢慢走向了現實中切實可行的方案。日本航空研究開發機構（JAXA）在2010年發射的伊卡洛斯號（IKAROS）飛船已經成功驗證了將光帆作為唯一推進方式的可行性。

伊卡洛斯飛船有著厚度為7.5微米，面積為196平方米的複合材料帆，而這種帆每平米的質量僅僅有10克。到2015年轉入休眠狀態為止，正是憑藉著操縱這面巨大又輕盈的帆，伊卡洛斯號平安地運行到了距地球1.1億公里、據太陽1.3億公里處。

圖9. 伊卡洛斯號光帆驗證飛行器藝術圖，可以清楚看到巨大的方形合成材料帆。來自日本航空研究開發機構網站。

利用空間——引力彈弓和曲速航行

愛因斯坦的廣義相對論指出，大質量的物體可以讓它周圍的空間發生彎曲。如果把行星或恆星等大質量物體比作金屬球，宇宙空間比作橡皮膜，壓在一張平整橡皮膜上的金屬球會產生一個凹陷。假如這時候有個小球向著這顆金屬球而去，這個小球的運動軌跡會彎曲，小球在滾向凹陷的過程中也會不斷地加速。這正是「引力彈弓」的基本原理——空間探測器從行星旁繞過時受行星的引力作用，運動速率增大。

在電影《星際穿越》中，宇航員庫珀最後操縱著破損的永續號（Endurance）就是孤注一擲，通過黑洞「巨人」（Gargantua）的引力彈弓作用，讓宇航員艾米莉亞得以逃生。而《火星救援》里，為了救助被困火星的馬克·沃特尼，赫爾墨斯號則是利用地球的引力彈弓效應，最大限度地節約了時間，才能夠在匆匆補給之後快速返回火星。

圖10. 《星際穿越》里的飛船永續號（Endurance）

回到我們的時代，1977年9月5日發射的旅行者號探測器就是經過木星和土星這兩個太陽系大塊頭行星的引力加速才獲得了足以脫離太陽引力控制的動能，並在2013年9月12號被美國宇航局正式宣布已經脫離了太陽系，繼續向著無人深空進發。

而土星探測器卡西尼號（Cassini）探測器在重達3噸，現有推進技術不足以將其直接送達土星的情況下，正是靠著在6.7年里兩次飛掠金星，之後又途經地球、木星，藉助它們的引力加速，最終才能夠順利抵達目的地。

圖11. 卡西尼號探測器的運行軌跡示意圖，反覆經過了多次行星引力加速才得以到達土星。來自美國宇航局網站。

如果說引力彈弓是利用了這個宇宙中的天然「地形起伏」的話，那麼曲速航行就是人類移山填海，主動出擊了。這裡的「曲速航行」，或者叫做曲率航行、翹曲空間，本質上就是對空間的主動彎曲。

圖12. 《哆啦A夢——大雄的宇宙開拓史》節選

這段選自漫畫《哆啦A夢——大雄的宇宙開拓史》的片段簡潔又形象地描繪了何為彎曲空間——通過一定手段讓空間「摺疊」，把本來相隔很遠的兩個點拉近。

這種方法優雅而高效：沒有燃燒，無需噴射，快速便捷——常規的宇宙飛行在它面前慢如蝸牛。同時，這種對空間的主動干預讓人有一種主人一般的感受，彷彿自己不再是渺小脆弱的生命體，而是無限空間之王。

圖13. 《星際迷航——下一代》劇集中的聯邦星艦進取號（Star Ship Enterprise）。擁有前端盤子一樣的碟形部和後端形似一雙筷子的曲速引擎艙。

科幻電影中，剛剛迎來50周年的美國科幻巨作《星際迷航》中的進取號星艦就是由曲速引擎來驅動的。經由正反物質湮滅所釋放的巨大能量產生曲速場，並進一步改變曲速場周圍空間的結構，讓飛船進入曲速航行，也就是彷彿乘上空間的波浪，被空間波動推著前進。進入曲速航行之後，飛船被曲速泡所包圍，曲速泡內部的空間未被扭曲，飛船相對於曲速泡而言是在做亞光速飛行，但是曲速泡本身相對於宇宙空間的運動卻可以超過光速。

在星際迷航的世界裡，公元2063年進行的人類歷史上第一次成功的曲速一級（光速的一倍）航行讓地球人被宇宙中另外的智慧生命——瓦肯人所感知並與之接觸，由此掀開了波瀾壯闊的星際傳奇。