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恒星际旅行

曲速引擎太空船

恒星际旅行,是一个用来指在恒星或行星系统之间进行假想性的载人或无人太空旅行的名词。恒星际旅行的难度是远高于行星际航行的;太阳系以内的行星间的距离是不多于三十个天文单位的,而恒星间的距离却往往是以百上千个天文单位计,而且很多时是以光年作单位。由于恒星间相隔辽远,恒星际旅行速度需要达到光速的一个相当高的百份比,或者需要很长的旅行时间;要用上数十年至五十年,甚至更久。

人类现时的太空船推进技术仍未能满足恒星际旅行所需的速度。即使具备假想性的能达到完美效率的推进系统,所需的动能对于当今的能量生产标准依然是巨大的。此外,航天器与宇宙尘埃和气体的碰撞可以对乘客和航天器本身造成危险的影响。

现时,人们已经提出了诸多策略来实现恒星际旅行,其中有携带整个生态系统的巨型架构,以至到微细的空间探测器等。人们又提出了许多不同的航天器推进系统,以满足航天器所需的速度,其中包括了核动力推进射束供能推进英语Beam-powered propulsion和其他基于推测性物理学的方法。

无论是对于载人或无人星际旅行,都需要满足相当大的技术和经济挑战。即使是对于星际旅行最乐观的看法,都认为恒星际旅行只能在几十年后才可行;更常见的预测是一个世纪或更远。然而,尽管有挑战,如果星际旅行能够实现,那么将会带来极大的科学收益。

大多数星际旅行的概念都建基在一个发达的太空物流系统英语Space logistics,能够将数百万公吨的物体移动到建筑或操作地点,并且需要上千兆的电力来满足建筑或动力需求(例如星缕计划英语Starwisp光帆计划英语LightSail 2中的星际旅行概念)。如果太空太阳能发电成为地球能源结构的重要组成部分,这样的系统便可以自然地发展成熟。消费者对于高太瓦英语multi-terawatt system电力系统的需求将会催生一个恒星际旅行所需的每年数百万公吨容量的太空物流系统。

恒星际旅行目标

在距离地球20光年以内有59个恒星系统,包括着81颗可见星。以下可以作为星际旅行计划的主要目的地:[1]

恒星系统 图片 距离 (光年)
南门二 Artist’s impression of a planet around Alpha Centauri B (symbolic, annotated).jpg 4.3 最近地球的恒星系。三颗星(G2, K1, M5)。其中 G2 为 G2 恒星;与太阳相似。2016年八月二十四日,向外宣布了星系中一颗类地行星比邻星b的发现,它位于比邻星的适居带内。
巴纳德星 RedDwarfPlanet.jpg 6 小型,低光度 M5 红矮星。距离地球第二近的恒星系。
天狼星 Sirius A and B artwork.jpg 8.7 大型, 高光度 A1V 主序星与另一颗 DA2 白矮星组成的联星系统
天苑四 NASA-JPL-Caltech - Double the Rubble (PIA11375) (pd).jpg 10.8 单个 K2 型星,比太阳小一点和冷一点。它有二道小行星带,可能有一个巨大的和一个更小的行星,[2] 并且可能具有类似太阳系的行星系统。
天仓五 Sol View from Tau Ceti.png 11.8 单个G型主序星;与太阳类近。很可能有着一个类似太阳系的行星系统;现有证据显示,系内的五颗行星之中有二颗在适居带
蛇夫座V2306 Planets Under a Red Sun.jpg ~14 沃夫1061c 是地球尺寸的4.3倍;它可能有着岩石地形,并且是位于可能具备液态水的适居带之内。[3]
格利泽581 Gliese 581 Artist's impression.jpg 20.3 多行星系统。系统内已被证实存在的行星格利泽 581 d,与另一颗未被证实的行星格利泽 581 g,是位于该星系的适居带。
格利泽667C Gliese 667.jpg 22 有至少六颗行星的恒星系。其中有破记录的三颗行星位于该星系的适居带,属于超级地球;是相当可能存在着生命的。[4]
织女一 Vega (star).jpg 25 一个可能仍然在行星形成的过程中的年轻恒星系。[5]
TRAPPIST-1 PIA21429 - Transit Illustration of TRAPPIST-1.jpg 39 新发现的恒星系,其中有七颗可能含有液态水的类地行星。这项发现是找寻宜居星体的重大突破。

现有的和近期的天文技术能够在这些物体周围找到行星系统,增加了它们的勘探潜力。


建议方法

慢速无人探测器

巨大的宇航器虽然可行但推进成本现实上是不可承受的,极微观尺度的纳米级推进器可能可以用来建造光速太空船。美国密歇根大学的研究人员正在开发纳米粒子作为推进剂推进器,这种技术被称为“纳米粒子场提取推进器”。

理论物理学家加来道雄曾建议发射“智能尘埃”至太空,随着纳米技术的进步可能实现。加来道雄还注意到纳米探针的将需要遭遇磁场,陨石和其他危险,所以需要发射大量纳米探针,以确保至少一个可以顺利到达目的地。

快速无人探测器

纳米探测器

慢速载人太空船

一种世代飞船的概念设计。

世代飞船

世代飞船是一种星际方舟,到达目的地人类将是那些开始星际旅行的人类后裔。因为规模巨大、生物和社会学的问题,建造世代飞船目前并不可行。

冬眠飞船

科学家和作家已经提出各种暂停生命技术,包括人类冬眠人体冷冻技术。这些技术提供飞船可以持续长时间星际旅行的可能性。

冷冻胚胎

机器人携带冻结早期人类胚胎是另一种可能性的星际旅行。太空殖民需要人造子宫,适合人类居住的类地行星,教育机器人将会把人类传承下去。

跳岛策略

快速载人太空船

时间膨胀

恒久加速

推进系统

火箭概念

离子推进器

离子推力器又称离子推进器、离子发动机,其原理是先将气体电离,然后用电场力将带电的离子加速后喷出,以其反作用力推动火箭。这是目前已实用化的火箭技术中,最为经济的一种,因为只要调整电场强度,就可以调整推力,由于比冲(specific impulse)远大于现有的其它推进技术,因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的终端速度,而既然太空船本身不需要携带太多燃料,总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的运载火箭,节省下来的燃料更是可观。

缺点是它的推力很小,目前的离子推进系统只能吹得动一张纸,无法使太空船脱离地表,而且即使在太空中也需要很长的时间进行加速。离子推力器目前只能应用于真空的环境中。在经过很长时间的持续推进后,将会获得比化学推进快很多的速度,这使得离子推力器被用在远距离的航行中。

核裂变动力

等离子推进器

等离子推进发动机(Plasma propulsion engine)的较狭义的定义是以推进剂(为等离子体)中的电流或电位来加速推进剂,即不单独用电场加速推进剂者。与其区别的离子推进器则是使用高压电网或电极来加速推进剂。

核裂变碎片火箭

核脉冲推进

核脉冲推进使用核爆做推力的技术。最早提出的计划是DARPA的“猎户座计划”,1957年由斯塔尼斯拉夫·马尔钦·乌拉姆提议。以惯性约束聚变为起点的新提议有著名代达罗斯计划和远射计划(Project Longshot)。核脉冲推进器是以塑性核弹在运载器后爆炸产生极高比冲和极高推重比,此研究方向在当前没有技术瓶颈。从未测试;推力板可能因振动而破损;当前最小尺寸的核弹依然相对大;小范围使用费用昂贵;违背与核有关条约;在大气层中使用有核辐射。

核聚变火箭

核聚变火箭是一种以核聚变能量作为推动力的火箭。它能够提供有效率且长程的太空推进力从而减少大量的燃料携带量。在未来更复杂的磁性限制以及防止等离子不稳的控制方法问世后,较小的轻型核聚变反应堆就有可能发明出来。惯性局限融合技术可以成为轻量化且有力的替代选择。

对于太空航行来说,核聚变推进主要的优点是它有极高的比冲量,主要的可能缺点则是反应堆庞大的质量。然而,核聚变火箭会产生比核分裂火箭更少的放射线因此可以减少防护盾的需求。

反物质推进

反物质火箭

反物质火箭将其他任何火箭提供更高的能量密度和比冲。如果可以发明高效的反物质生产方法,并安全存储,反物质火箭理论上可能达到光速的百分之几十。反物质推进可以让太空船以极高速度(光速的90%)前进,如此一来相对论导致的时间扩张将变得更明显。

生产和储存反物质应该可行。但是反物质湮灭将损失大部分能量,产生高能伽玛射线,特别是中微子

依赖外在能量来源的火箭

非火箭概念

巴萨德冲压发动机

艺术家所构想出的巴萨德推进器,其核心是一个冲压发动机,而周围一英里存在一个无形的电磁场

巴萨德冲压发动机是1960年代物理学家罗伯特·巴萨德英语Robert W. Bussard(Robert W. Bussard)所构想的一种理论航天器推进设计。这种推进器是一种核聚变冲压发动机,它利用巨大的磁场(直径从数公里至数千公里不等)作为漏斗来收集并压缩星际物质中的,飞行器的高速将待反应物质强迫推入磁场中,直到压缩的程度到达足以发生核聚变。物质转变之后产生的巨大能量透过磁场导引至发动机的排气方向(其方向与预计的行进方向颠倒),并透过反作用力的原理推进飞行器加速前进,而达到星际飞行的目的。

外在动力来源

预加速燃料

太阳帆

IKAROS 模型,未按实际比例

太阳帆使用巨大的薄膜镜片,以太阳辐射压做为太空船推进力辐射压不仅非常小,而且与太阳距离的平方成反比,但不同于火箭的是,太阳帆不需要燃料。推进力虽然很小,但是只要太阳继续照耀着,太阳帆就能继续运作。

太阳能集热器、温度控制面板和阳光下的树荫都可以视为特殊的太阳帆,太阳帆可以帮助在轨道上的太空船调整飞行姿态或是对轨道做少量的修正而无须耗费燃料。

2010年5月21日,由日本宇宙航空研究开发机构开发的试验性太空探测器IKAROS,以日本的H-IIA火箭和破晓号金星气象卫星以及其他四个小卫星一起发射。IKAROS 是世界第一个成功在行星际空间运作的太阳帆[6][7]

理论性概念

超光速

阿库别瑞引擎

阿库别瑞引擎曲速引擎是一项推敲性的时空数学模型,可以仿造出科幻星际旅行里的作为跨星际的超光速航行的工具。

阿库别瑞引擎遵守广义相对论爱因斯坦方程式,在这范畴下建立出一项特别的时空度规物理学家米给尔·阿库别瑞于1994年提出了波动方式展延空间,导致航行器(简称为“船”)前方的空间收缩而后方的空间扩张,前后所连成的轴向即为船想要航行的方向。船在一个区间内乘着波动前进,这区间称为“曲速泡”,是一段平直时空。既然船在泡泡内并不真的在移动,而是由泡泡带着船走,广义相对论中对于物体速度不可超过局域光速的限制就派不上用场。虽然阿库别瑞提出的度规在数学上是可行的(符合爱因斯坦的场域等式),但其计算结果可能没有物理学上的意义,也不一定表示真的能够建造这种装置。阿库别瑞引擎的假想机制暗示了负的能量密度,因此需要奇异物质才能使用。所以如果正确性质的奇异物质并不存在,则阿库别瑞引擎就不能被建造出来。然而,在当初发表的论文上,[8]阿库别瑞声称(接着一段物理学家分析虫洞旅行的论述之后[9][10])两个平行的板子之间产生的卡西米尔真空可以满足阿库别瑞引擎的负能量需求。另一个问题是虽然阿库别瑞度规没有违反广义相对论,但广义相对论并没有包含量子力学的机制。一些科学家因此认为,阿库别瑞引擎理论上允许回到过去的时间旅行,虽然广义相对论理论上也允许回到过去的时间旅行,但结合了量子力学和广义相对论的量子引力理论指出这种时间旅行是不可能的(见时序保护猜想),因此他们否定阿库别瑞引擎的可能性。

人造黑洞

虫洞

虫洞,或称为爱因斯坦-罗森桥,是连接着时空两个区域的通道。如果将太空船沿着旋转黑洞的旋转轴心发射进入,原理上是可以熬过中心的重力场,并进入镜射宇宙。

设计与研究工作

突破摄星

突破摄星是由突破计划提出的太空探索项目,旨在研发名为“星片”(StarChip)的光帆飞行器,以期能以五分之一光速(每秒六万千米)、经过约20年的航行时间抵达半人马座α星,并在到达后再经过约4年的时间向地球传回信息。

物理学家史蒂芬·霍金与投资人尤里·米尔纳于二零一六年四月十二日在纽约共同宣布了该项目正式启动。项目的初期投资为一亿美元。米尔纳预计整个项目最终耗资可达五十亿至一百亿美元。

代达罗斯计划

构想中的代达罗斯计划的核动力宇宙飞船

代达罗斯计划英国星际协会英语British Interplanetary Society在1973至1978年之间倡导的研究计划,考虑使用无人太空船对另一个恒星系统进行快速的探测。当时希望研究出核动力引擎作为宇宙飞船的动力,并以此前往六光年之遥的巴纳德星

伊卡洛斯工程

伊卡洛斯工程由英国星际协会英语British Interplanetary Society和伊卡洛斯星际组织联合推出,最终目标是建造一艘具备恒星际航行能力的无人飞船,前往距离太阳系最近的恒星系统进行勘察,理论上星际航行将耗时100年。

百年星舰

美国国防高等研究计划署(DARPA)与美国国家航空航天局(NASA)合作的一项星际旅行计划。该计划于2012年1月启动,目标是未来一百年内使人类能够进行恒星际旅行。

恩兹曼飞船

海柏利安计划

伊卡洛斯星际组织的其中一个计划。

星缕计划

猎户座计划

远射计划

星际种子

女武神计划

太阳潜水员

文学

欧陆最早关于星际旅行的文学,可以追溯到公元两世纪,居住在希腊的亚述人作家琉善的奇幻短篇《信史英语True History》,内容是讲述游历月球 。直到十七世纪以后,随着天文学日渐成熟,催生众多星际旅行相关文学作品。十六世纪德国天文学家开普勒的文学作品《月亮之梦英语Somnium (novel)》和同时期的英国科幻小说家戈德温英语Francis Godwin的《月亮上的人英语The Man in the Moone》,就是其中的一些著名例子[11]

1640年,英国自然哲学家约翰·威尔金斯开始系统性的关注空间旅行。他在《关于一个新世界和另一颗行星的讨论》(A Discourse Concerning a New World and Another Planet)中记载了当时他所预测的三种登月方法。他其后在1648年出版的《数学魔法英语Mathematical Magick》中,补充了第四种登月方法。

直至十九世纪,科幻文学出现更多关于星际旅行的内容,甚至是想象性的时间旅行,例如有英国小说家威尔斯在1895年出版的科幻小说《时间机器[11]

参考文献

  1. ^ Forward, Robert L. Ad Astra!. Journal of the British Interplanetary Society. 1996, 49 (1): 23–32. Bibcode:1996JBIS...49...23F.
  2. ^ Planet eps Eridani b. exoplanet.eu. [2011-01-15].
  3. ^ Astronomers Have Discovered The Closest Potentially Habitable Planet. Yahoo News. December 18, 2015.
  4. ^ Three Planets in Habitable Zone of Nearby Star. eso.org.
  5. ^ Croswell, Ken. ScienceShot: Older Vega Mature Enough to Nurture Life. sciencemag.org. 3 December 2012. (原始内容存档于2012年12月4日).
  6. ^ 引用错误:没有为名为spaceflightnow的参考文献提供内容
  7. ^ Launch Day of the H-IIA Launch Vehicle No. 17(H-IIA F17). JAXA. March 3, 2010 [2010-05-07].
  8. ^ Alcubierre, Miguel. The warp drive: hyper-fast travel within general relativity. Classical and Quantum Gravity. 1994, 11 (5): L73–L77. Bibcode:1994CQGra..11L..73A. arXiv:gr-qc/0009013. doi:10.1088/0264-9381/11/5/001.
  9. ^ Thorne, Kip; Michael Morris; Ulvi Yurtsever. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition (PDF). Physical Review Letters. 1988, 61 (13): 1446–1449. Bibcode:1988PhRvL..61.1446M. PMID 10038800. doi:10.1103/PhysRevLett.61.1446.
  10. ^ See The Alcubierre Warp Drive by John G. Cramer, where Cramer notes that "Alcubierre, following the lead of wormhole theorists, argues that quantum field theory permits the existence of regions of negative energy density under special circumstances, and cites the Casimir effect as an example."
  11. ^ 11.0 11.1 江晓原; 穆蕴秋. 科学与幻想:一种新科学史的可能性. 上海交通大学学报. 2012, 20 (2).

外部链接



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