飞出太阳系 — 远程宇航提速技术初探
课题组成员
林川云 郑 炜 栾立将 陈则鸿 庄泽群 连 晟
指导老师
施海光
摘要：本文根据人们对太空的梦想，提出我们到底能飞多远，我们何时能飞出太阳系的边界等问题。文章从宇航技术现状、历史上的星点、反物质与湮灭、反物质推进系统四个方面探讨远程宇航提速技术。指出人类早期开发的以化学燃料为动力的飞行器存在效率低、速度慢、能耗大等缺陷，不适用加速深空飞行。提出今后宇航飞船能源与系统装置发展的三个趋势。
关键词：化学原料 核聚变 反物质 反物质-核动力湮灭
序
人类自古就有在太空中翱翔的梦想。经过无数英勇的尝试，我们终于获取了探索太空的初步能力。
然而好奇心仍在驱使着人们不停的追问：我们到底能飞到哪儿？现有的技术允许吗？飞行器是否可以提高速度？我们何时能够飞出太阳系的边界呢……
毫无疑问，远程宇航已经成为人类漫漫前进征程上最宏伟的目标之一。
起
我国著名科学家钱学森指出：宇宙航行分为航天和宇航两个阶段。前者立足于大气层之外、太阳系之内；而后者则要飞出太阳系，向着更遥远的空间进军。
第三次科技革命以来，人类踏上航天征程，多次派出探测器造访各大行星及其卫星，获得了大量宝贵资料，航天阶段以暂告段落。而对宇航具有深远影响的是20世纪70年代人们先后发射“先驱者”和“旅行者”两大探测器，尝试拜访更遥远的世界，这可谓是人类在远程探空道路上所迈出的一大步。
然而20余年后的今天，有关数据显示，这两位无畏的探险者仍在太阳系的某处无助的游荡。尽管我们引以为自豪的航天技术成果显著，但两大探测器最后的命运这个不争的事实告诉我们，在深不可探的宇宙面前，人类宇航的脚步还显蹒跚。
那么，为何会产生这样的结果呢？这就要从航天技术的发展状况谈起。
承之一
——宇航技术现状报告
随着航天技术的日益发展，人类至今已经能够向各大行星及其卫星发射探测器，进行考察研究，获取资料样本。这些都在为未来人类的外太空飞行打下坚实的基础。
我们知道至今各项太空研究工作均依靠火箭和太空探测器来完成，而构成它们的主体推进器则以化学燃料为动力来源。在此推进器中配有燃料箱与液氧箱，并有燃料室。系统的工作原理是：化学燃料在燃烧室中剧烈燃烧而产生热气流。由于仅在火箭的尾部有喷射口，于是各气流从尾部喷出，从而产生巨大的反作用力，推进火箭前进。
诚然化学燃料可以提供高能，但做一次长距离的飞行则需要巨额的燃料。由于燃料自身也含有质量，那么庞大的飞船质量必会使航行的速度受到影响，随着人类航天历程的推进，这种缺陷便日益显露。一般的，要使飞船提速，就要获得足够大的推力，而按当前的技术就只能靠增加燃料的数量来换取更大的推力。我们暂且假设飞船处于理想的无障碍直线运动状态，则在飞船推力增大的同时，飞船自身的质量也有所增加，且推力的变化与燃料的消耗相一致，最终因推力与质量两因素相抵使飞船不能加速。如按此技术，那么宇航员终其一生也无法完成一次壮美的星际航行。化学燃料推进系统效率低，速度慢，已越来越不适应于人类提速远航的梦想。
因而要做外太空飞行，人们还须另辟蹊径。
早在航天技术成型之时，便有人指出了上述技术的不足，而后便接连产生了一系列的新方案，只是受限于当时的科技水平，它们均未能得以实现。
承之二
——历史上的星点
1）20世纪中叶，核技术蒸蒸日上，有人提出设计一种核飞船的蓝图。我们知道光速是宇宙速度的极限，人类要想缩减宇航时间，就应努力把速度提升到或是接近于光速。这种飞船计划每隔1秒在船尾进行1000吨当量的核爆炸，在爆炸30万次后，理论上可使飞船速度提升至1/30光速。
2）随后又产生了更为系统性的核聚变动力方案。即以核爆炸方式作为动力，采用脉冲式核聚变发动机，以高能粒子为原料制成的直径3cm，重3g的微型氢弹300亿颗。氢弹用激光电子束引爆，以爆炸260颗/秒所产生的能量来提升至1/30光速……
但至今要完成这些方案也不是件容易的事。诸如原料的收集，飞船的构造等问题长期困扰着人们；核聚变还未能被人们有效的控制，而控制反应速度和强度更无从说起；核聚变发出所需的高温对于构成系统的材料也必然是个严峻的挑战。这些未解决的问题如未能妥善处理，势必会影响航行的可靠性与安全性。
所以，在核动力推动飞船加速的探索之路上，人类还要走上一段较长的路。
针对航天技术的缺陷，人类目前构造导航器的原则为开发质量小，作用时间长及高能的空间动力飞船，据此基础上又出现了一批具有代表性的新型方案。这里，我们就以反物质推进飞船方案来透视一二。
转之一
——反物质与湮灭
我们知道，物理学中将诸如电子、中子、质子等到目前为止已知的构成物质的基本单元系统称为基本粒子。并且科学家通过理论推导与实验证明了每种基本粒子与之相对应的反物质，那与原粒子质量相同，带电量相同，电性、磁性相反的粒子。它们又被统称为反物质。
当亚反粒子相遇时，便为转化成其他粒子（如电子与亚电子相碰撞转化为光子等），这种现象称为湮灭。在此过程中还有巨额能量被释放，从理论上要比核聚变高出100多倍。
所以科学家认为，反物质将是未来宇航提速的最佳能源之一。
转之二
——反物质推进系统
反物质飞船的优越性在于它的高动率。一台利用反物质作为动力的飞船可将1吨重的物质加速到1/10光速，耗能却少得出奇。但要收集这些看似少量的反物质也十分困难。科学家们推测，依据现有的技术要收集到这些反物质至少要花上百万年时间。
既如此，人们又构想反物质——核动力方案。顾名思义，即用极少量的反物质来催化原子核爆炸而提供核动力。科学家指出，最初的核爆炸应努力维持在燃烧室之中。我们可以设想发生在燃烧室中的这一幕：假设注入的少许反物质是反质子，那么在含有铀，氘，氚的容器之中，当反质子击中铀核中的质子时便发生湮灭而转化成其它微粒，它们又连续轰击原子核使之爆裂。如此下去的链式反应中，反应速度也不断加快……最终燃烧室中产生了足够的高温高压，从而激发核聚变，释放出巨额的能量。产生的高温等离子气体由喷管导出，提供巨大的推力，使飞船加速前进。
这个方案最重要环节除了上述要将最初的核爆局限于燃烧室之外，同核聚变动力方案，存在着如何制造喷管以及反应室等各种材料的技术问题，但我们可以看到，这一方案较核动力方案更具适应性和可用性。
除反物质推进系统外，有的科技工作者还在考虑进一步改进核聚变的方案。同时又出现了激光飞船，真空能动力方案及太阳能技术等一系列科学设想。
总 结
远程宇航是人类现阶段最美好的梦想之一。人类早期航天阶段所开发的以化学燃料为动力的飞行器所显露的效率低、速度慢、能耗大等缺陷说明其以不能适用于加速深空飞行。
对此，人们在立足于质量小、作用时间长并且高速的原则基础上，构想出诸多方案。但由于科技水平的限制，这些方案存在能源与其收集、控制和承载装置的不协调问题。
综上所述，我们认为今后宇航飞船能源与系统装置的发展有以下几点趋势：
1） 寻找理论上可产生巨大能量并在科技进步能与之相适应的前提下可从自然界获取或由人工制得的能源作为主要推进能源；
2） 航天技术与多学科相融合，寻找并制得可适用于如反应舱、高能气流喷口等多种特殊环境的材料
3） 科学改造船体结构和组成，做到轻便、灵活、高速、稳定和安全。
我们深信，随着人类科技实力的增强，终会有一天，人们可以妥善的处理好技术中的不协调因素，而远程宇航也势必将会从科幻园地中走出，成为美好的现实。
二00一年八月