使用化学火箭离开我们的星球并 探索 太空很可能是一种死胡同。 它很旧，过时，而且效率极低。 在过去的 60 年里，我们肯定已经发现或改进了更新、更高效的技术，对吗？ 答案是肯定的，我们将详细介绍它们。

我们将 探索 奇特的技术，包括利用太阳风在星际间航行、利用核弹接近光速，甚至涉足利用美国宇航局最近一直在试验的物理定律漏洞的技术。

化学火箭有什么问题？

化学火箭可能是死路一条，因为它们的效率极低。 仅仅为了将航天飞机送入地球轨道（达到 17,500 MPH），火箭就需要携带 15 倍于其重量的燃料——这在其他基于化学的火箭系统中被认为是非常有效的。 为了摆脱地球的引力并 探索 我们的太阳系（达到 25,000 MPH），您将需要更多的燃料。

此解决方案的问题之一是可用性。 为了充分利用行星的引力，行星必须在特定的时间、特定的地点。 这留下了一个小窗口，需要启动探测器。 其中一些窗口可能非常罕见。 探索 太阳系外行星的航海者太空探测器利用了每 176 年才发生一次的行星排列。

然后是成本。 将航天飞机送入轨道的平均成本为每次任务 4.5 亿美元。 仅仅为了到达近地轨道就付出了巨大的代价，这也是航天飞机计划被取消的重要原因。 如果我们想离开地球轨道并使用如此低效的技术（没有重力辅助） 探索 我们的太阳系，问题就会变得严重。 因为太空中没有任何燃料站，宇宙飞船必须随身携带所有燃料，燃料不仅昂贵，而且很重。

如果我们想使用标准的化学火箭在合理的时间范围内（例如 900 年）离开太阳系并前往最近的邻近恒星，则需要 10 137 公斤燃料——这比我们现有的燃料还要多。行星。 因此，我们需要着眼于开发一种更好、更有效的推进方法。

太阳帆

太阳帆正如其名； 他们乘着太阳风航行。 太空中没有真正的风，因为太空是真空，但航天器可以用类似的东西来推进自己。 一艘配备有由超薄镜子制成的巨大帆的飞行器可以利用光和来自太阳的高速喷射气体的组合来达到令人难以置信的速度。

日本 Ikaros 太阳帆

光和气体的压力非常小，但由于空间真空中没有摩擦，所以随着时间的推移，这种小压力会逐渐增加。 如果有足够的时间，这种压力可以推动飞行器达到光速的很大一部分。 通过从月球或其他没有大气层的卫星上的基地将极其强大的激光或脉泽瞄准帆，可以缩短达到最高速度的时间。

然而，太阳帆确实有其缺点。 一旦远离太阳（以及我们设置的任何激光助推站），飞船将不再加速，而是依靠自身的惯性前往目的地。 然后，飞船将不得不将其帆指向目的地恒星以减速和减速。

早在 2021 年 5 月，日本发射了 Ikaros 探测器，太阳帆航天器就成为现实。 它成功部署了太阳帆，目前正处于围绕太阳的宽轨道上。 预计它会在几年内到达木星。

离子驱动

离子推进器（或离子驱动器）远没有科幻小说和电影中描述的那么令人兴奋。 它的运作原理与太阳帆类似； 使用非常低的推力，但在很长一段时间内。 它通过从推动航天器的电动发动机中喷射带电离子、气体或等离子体来实现这种推力。

离子引擎测试

这种加速方法允许飞行器获得非常高的比冲。 由于推力很低，这种飞行器只能在太空真空中工作。 然而，发动机所需的燃料明显少于化学火箭所需的燃料，由于卡诺极限（效率的限制）而达到最大值。

这项技术正在被大量考虑用于未来的太空任务，并且已经证明了其在太空中的可行性。 1998 年，美国宇航局发射了由氙气离子发动机提供动力的深空 1 号探测器，这是太空中的第一个离子驱动器。 2003年，日本发射了使用4台氙离子发动机的隼号探测器。 它的任务是与小行星会合并收集样本。 它于2021年6月完成任务并返回地球。

与太阳帆一样，离子驱动器也有其缺点。 首先，他们需要随身携带燃料。 虽然获得最近的恒星所需的数量在技术上是可行的，但它并不是很实用。 旅行时间是另一个问题。 虽然离子驱动器的效率明显高于火箭发动机，并且非常适合在我们的太阳系周围短途旅行，但星际旅行完全是另一回事。 在太阳的引力辅助下， 使用离子发动机的飞船 仍需要 19,000 年 才能到达比邻星。

如果我们想离开太阳摇篮的范围，我们需要更快的速度。

核动力

如果我们想获得使用提供给我们最好的技术离我们最近的比邻星 现在 ，核推进是我们最好的选择。 它速度快，经过验证且相对便宜。 一艘配备核脉冲推进器的舰船，理论上可以达到光速的12%。 速度如此之快，您可以在不到 2 秒的时间内完成绕地球一圈的旅行并最终返回起点。 或者你可以在 13 秒内到达月球——相比之下，阿波罗 11 号需要四天才能到达月球。

核脉冲推进

虽然使用离子驱动器到达比邻星需要 19,000 年，但使用核脉冲推进器则需要相对可控的 35 年。 人类将能够在他或她的有生之年前往离我们最近的邻近恒星。 它可以通过已经存在的技术来完成。

核推进的工作方式听起来有点疯狂，但它已被证明并且相对简单。 小型核弹从航天器后部掉落并引爆。 爆炸产生的力使飞行器加速。 这会重复进行，直到达到所需的速度。 一个非常大的加强推进板将保护飞行器免受损坏和辐射，而阻尼器将用于减轻重力的影响并提供平稳的加速。

早在 1958 年，美国军方就开始以“猎户座”项目名称研究核脉冲推进。 由于防止核装置在太空引爆的部分禁止核试验条约，该项目于 1963 年搁置。 然而，这个想法并没有被遗忘。 1973 年，英国星际学会开发了一个类似的概念，称为代达罗斯计划。 然后在 1998 年，PSU 的核工程部门开始开发代达罗斯设计的两个改进版本，称为 Project Ican 和 Project Aimstar。

核脉冲推进的明显缺点之一是您必须随身携带燃料。 这意味着携带数百或数千枚小型核弹。 还有推板烧蚀的问题。 如果在每次爆炸前不喷上特殊的油，反复暴露在核爆炸中会导致腐蚀。 另一个问题是核辐射。 如果从极地地区发射飞船，或者如果飞船使用常规火箭发射到太空，一旦距离足够远，就开始使用其核推进器，这可以避免。

已故的卡尔萨根曾表示，核脉冲推进将是我们现有核武器库存的绝佳用途。

核聚变

由于其高效、长期的加速能力，配备核聚变发动机的航天器无需携带大量燃料即可 探索 我们的太阳系。

理论融合引擎

融合引擎有两种工作方式。 第一种是利用聚变反应产生的能量来发电。 这种电力可用于使等离子体过热，然后将其从飞行器后部喷射出来，提供推力。 第二种方法会更直接。 它将使用来自聚变反应的基于等离子体的排气来提供推力。

聚变引擎的缺点与离子驱动器的缺点非常相似。 虽然聚变是对离子驱动器的巨大改进，但在恒星之间移动时要达到所需的更高速度是非常困难的。 聚变技术也仍处于试验发展阶段。 该技术必须克服等离子体限制的障碍才能可行，然后需要将反应堆小型化到航天器可管理的尺寸。 目前，基于激光的实验性 ICF 反应堆与足球场一样大，并且正在努力实现功率输出的收支平衡。

反物质

反物质是我们目前所知的最有效的燃料来源。 这也是最有效的。 反物质顾名思义，就是电荷颠倒的物质。 当反物质与普通物质接触时，两者会在纯粹能量的猛烈爆炸中相互湮灭。 一块小硬币大小的反物质包含足够的能量将满载的航天飞机推入轨道。 一旦进入轨道，美国宇航局声称前往火星的旅行只需要价值 10 毫克的反物质。

带有反物质引擎的航天器

使用反物质的引擎在操作上非常简单。 一束反电子被释放到发动机核心中，在那里它会湮灭金属板的表面。 这会产生推动飞行器前进的小爆炸。 另一种提议的设计使用帆，类似于上述太阳帆。 一团反粒子被释放出来，然后与帆表面发生爆炸性反应。 这种反应可以推动飞行器达到令人难以置信的速度。 据美国宇航局称，反物质动力飞行器的速度可达光速的 70%。 这意味着我们可以在不到 6 年的时间内到达比邻星。

使用反物质的缺点是生产和遏制。 反物质是在粒子加速器上进行的原子粉碎测试的副产品。 操作非常昂贵的测试。 如果我们想要生产一克反物质，它的成本将超过一万亿美元。 遏制也是另一个问题。 由于反物质与普通物质接触时会发生剧烈反应，因此必须将其储存在极低温度下的真空容器中，并由强磁场悬浮。 这成为一个挑战，因为反电子（正电子）相互排斥，通常是爆炸性的。 已经提出了一些解决方案，有人建议通过将正电子与电子结合，研究人员可以创造一种称为正电子的元素，理论上可以无限期地存储反电子。

比光还快

超光速旅行只是科幻小说里的东西，对吧？ 毕竟爱因斯坦不是说过光速是极限速度吗？ 不一定，物理学家声称。 细节决定成败。 根据物理学，有办法绕过宇宙的极限速度。 这些技术漏洞在理论上并有可能使我们能够与光束赛跑 并获胜 。

美国宇航局的研究人员知道没有什么能比光速更快地加速，但他们也知道空间本身没有这样的限制。 时空对它的移动速度没有这样的限制，人们认为时空在大爆炸膨胀期间超过了光速。 美国宇航局先进推进部门的研究人员一直想知道时空是否可以重复执行。

时空扭曲

曲速引擎，通常是科幻小说中的东西，通过乘坐时空波会比光速更快。 它通过压缩飞船前面的时空并扩展它后面的时空来产生这种波。 然后一艘船坐在这波浪的中间，并被推动穿过太空。 由于飞船本身并没有移动，只有飞船周围的时空在移动，因此没有违反任何物理定律。

在 NASA Eagleworks，研究人员已经开始尝试通过实验室实验来证明曲速驱动的概念。 在那里，研究人员设置了一个名为“White-Juday Warp Field Interferometer”的微型曲速驱动器。 该实验旨在生成一个非常小的扭曲场实例。 一个如此小的翘曲场，预计它只会扰乱一千万分之一的时空。 虽然如果成功，结果将是平淡无奇的，但这将是概念证明的存在。 新项目的地点是为阿波罗计划建造的设施，也是将宇航员送上月球的设施。

墨西哥物理学家 Miguel Alcubierre 于 1994 年撰写了第一篇认真对待曲速引擎的科学论文。 Alcubierre 的论文需要巨大的能量来为他的理论曲速引擎提供动力。 木星的质能当量。 利用这种能量是不切实际且几乎不可能的，因此他的论文在很大程度上被忽视了。

2021 年 10 月，在 100 年星际飞船研讨会上，美国宇航局研究员哈罗德怀特发表演讲，宣布他发现了数学方程中的漏洞。 将能量需求降低到远低于以前认为的水平的漏洞。 他计算出，通过改变曲速引擎和飞船本身的设计，他可以将能量需求降低到只有几千磅的质量。 这种进步，以及其他类似的进步，边缘扭曲驱动越来越远离科幻小说的领域，更接近现实。

参考文献：
斯蒂芬克拉克（2021 年 5 月 20 日）。 “ H-2A 发射报告 - 任务状态中心 “。 现在的太空飞行。
志贺大卫（2007-09-28）。 “ 下一代离子发动机创造了新的推力记录 ”。 新科学家。
“宾夕法尼亚州立大学（LEPS）的反物质空间推进”。 engr.psu.edu。 2001-02-27。
GR 施密特 (1999)。 “ 用于近期推进应用的反物质生产 ”。 核物理和高能物理。
哈罗德·怀特博士 (2021)。 “ 摘要：翘曲场力学 101 ” 美国宇航局约翰逊航天中心。 PDF
Eagleworks 实验室（2021 年）。 “ 高级推进物理研究 ” NASA 技术报告。

未来五年，中国航天将推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展，开启全面建设航天强国新征程。推动运载火箭型谱发展，研制发射新一代载人运载火箭和大推力固体运载火箭，加快推动重型运载火箭工程研制。

中国航天推进高质量发展主要聚焦工作

一是发挥新型举国体制优势，提升航天创新体系整体效能。重点是加强协同创新机制建设，推进各类创新资源优化配置，形成上中下游协同、大中小企业融通的创新发展格局，同时突出空间科学和新技术试验任务统筹规划。

建立重大工程产出成果沿途下蛋机制，加速创新技术特别是颠覆性技术的孵化应用。

二是围绕体系效能型建设目标，推动航天工业提质升级，按照数智转型主导、质量保证优先的建设思路，进一步优化体系布局，打造先进航天工业体系，为加快建设航天强国夯实基础。

三是坚持有为政府和有效市场相结合，营造良好政策环境。重点是制定出台商业航天指导意见，进一步扩大政府与社会资本合作，支持商业航天企业参与工程研制，鼓励卫星应用产业发展和航天技术转移转化，做强做优做大航天产业。

四是秉持人类命运共同体的理念，贡献更多中国智慧和中国方案，在继续深化引进来走出去的基础上，针对重大自然灾害应急、全球气候变化、小行星撞击风险应对等方面，进一步共享中国航天发展成果，提出更多有建设性的倡议。

采取更为有力的措施，与国际社会一道，积极应对人类共同面临的风险挑战，国家航天局对地观测与数据中心主任赵坚说，发展航天技术既要推动空间科学、空间技术的跨越发展，又要将科技创新成果转化为推动经济社会发展的现实动力。