让你做短视频，你科普黑暗森林 作者:佚名
    第168章 科幻引擎（五）
    如今，我们已实现通过降落伞减缓助推器的下落速度，並保留部分燃料使其平稳著陆 ——spacex 公司就多次演示过这一技术。
    然而，可重复使用火箭的实现仍面临诸多挑战：即使火箭箭体没有高速撞击地面或坠入腐蚀性海水，发射过程中的极端环境也会导致箭体出现裂纹和变形，需要进行仔细的检测和维护才能再次使用。
    若能研发出更耐磨损的超级材料，將大幅降低火箭发射成本，实现火箭的快速、便捷重复使用 —— 就像现在的汽车和飞机那样。
    加粗 - 火箭方程
    火箭方程决定了太空飞行器的最大飞行速度，该速度取决於两个关键因素：
    1. 排气速度：推进剂从火箭或太空飞行器推进器尾部喷出的速度；
    2. 质量比：太空飞行器满载燃料和氧化剂时的初始质量，与燃料耗尽后仅保留太空飞行器本体和有效载荷的最终质量之比。
    根据火箭方程，若要使火箭达到与排气速度大小相等、方向相反的飞行速度，所需燃料的质量需接近火箭本体与有效载荷总质量的两倍。
    反之，若要达到排气速度一半的飞行速度，所需燃料和氧化剂的质量仅需约为火箭本体与有效载荷总质量的一半。
    举一个具体例子：
    · 若一艘 10 吨的太空飞行器使用排气速度为 10000 英里 / 小时的推进剂：
    o 要达到 5000 英里 / 小时的速度，大约需要 6.5 吨燃料；
    o 要达到 10000 英里 / 小时的速度，需要近 17 吨燃料；
    o 要达到 20000 英里 / 小时（两倍排气速度）的速度，需要整整 64 吨燃料；
    o 要达到 30000 英里 / 小时（三倍排气速度）的速度，则需要 201 吨燃料。
    这种急剧上升的曲线，正是我们常听到 “火箭方程的暴政” 这一说法的原因 —— 它极大地限制了太空飞行器的最大速度和有效载荷能力。
    大多数化学火箭燃料的排气速度在数千米 / 秒（最高约 10000 英里 / 小时）量级。要进入近地轨道（忽略上升过程中的空气阻力损失），太空飞行器的速度需达到近 8000 米 / 秒（约 177000 英里 / 小时）；前往其他行星需要更高的速度；而要实现实用的星际旅行，速度则需达到当前化学火箭速度的数十至数百倍。
    儘管我们已有一些排气速度更高的推进方案，但通常需要在推力大小上做出妥协 —— 为了获得更高的最终速度和效率，往往需要牺牲推力。
    因此，几乎所有关於先进推进技术的討论，本质上都是在寻找以下两种解决方案：
    1. 研发排气速度更高的推进剂；
    2. 规避火箭方程的限制，例如採用无反衝推进器或雷射帆等技术。
    加粗 - 推力
    推力是使太空飞行器產生运动的力：推力越大，太空飞行器的加速度越大；加速时间越长，最终速度越高。同时，太空飞行器的质量越大，所需的推力也越大。
    在太空飞行器中，推力最常见的產生方式是：火箭火焰喷出超高温气体，气体对太空飞行器產生反作用力，推动太空飞行器前进。
    高推力的优势非常明显：
    · 没有足够的推力，太空飞行器无法脱离行星表面；
    · 推力越大，太空飞行器达到目標速度的时间越短，旅程耗时也越短。
    然而，在实际应用中，几乎所有高推力技术都存在 “低效率” 的问题 —— 能实现快速加速，但最终速度相对有限；而像离子推进器这样的低推力发动机，虽然加速缓慢，但能通过长时间持续工作达到更高的最终速度。
    太空飞行器推进技术的 “圣杯”，是研发一种 “高推力、高效率” 的燃料或推进系统，例如火炬推进器或反物质火箭。
    加粗 - 希卡德推进器
    希卡德推进器是一种恆星发动机，其设计目的是利用恆星自身的能量来推动恆星运动。
    其工作原理如下：
    1. 核心结构：在恆星周围部署一组 “轨道镜” 或静態卫星（statite）；
    2. 光反射：通过这些镜子或卫星將恆星发出的光反射到单一方向；
    3. 动量传递：反射光產生的反作用力会缓慢推动恆星加速，使其达到光速的一个较小比例。
    希卡德推进器的加速特性与恆星的质量和亮度相关：
    · 大质量恆星：亮度与质量比更高，因此加速速度更快；
    · 小质量恆星：能燃烧更大比例的燃料，因此最终能达到更高的速度。
    但无论哪种恆星，希卡德推进器的加速过程都非常缓慢。由於加速所需的时间极长，从 “推动恆星穿越整个银河系” 到 “推动恆星在邻近几个恆星系统间移动”，所需的努力差异相对较小。
    加粗 - 太阳帆
    太阳帆的工作原理基於 “光子具有动量” 这一物理特性：
    · 不透明物体吸收光子时，会获得光子的动量；
    · 反光物体（如镜子）反射光子时，会获得两倍於光子入射动量的反衝动量（光子被反向反射，动量变化加倍）；
    · 若光子被偏转一定角度，太阳帆和偏转后的光子会向不同方向运动，动量守恆依然成立。
    利用这一原理，太阳帆可以 “藉助” 太阳光前进。
    但太阳帆存在一个显著弱点：需要製造巨大且轻薄的帆面，才能反射足够的太阳光来推动相对较小的太空飞行器。即便使用超薄材料製造帆面，它仍面临诸多风险：
    · 易受微陨石撞击；
    · 会被太空尘埃和辐射侵蚀；
    · 若帆面过大，还会成为航行中的潜在危险（如与其他天体碰撞）。
    此外，太阳光的强度遵循 “平方反比定律”—— 距离太阳越远，光强越弱。例如，太阳帆在冥王星轨道接收到的光强，仅为其在水星轨道时的数千分之一。
    为应对这些限制，人们提出了多种改进方案：
    · 雷射帆：本质上是一种 “由雷射聚焦照射的太阳帆”，可通过人工雷射提供持续推力；
    · 电动 / 磁太阳风帆：利用电离太阳风粒子或物质束来推动帆面，而非依赖太阳光。
    此外，太阳帆还可用於维持太空飞行器的 “静止轨道” 或非常规轨道，例如静態卫星（statite）的应用。
    加粗 - 比冲
    比冲与排气速度是衡量火箭燃料、推进剂或太空飞行器推进系统性能的 “孪生指標”：
    · 排气速度：衡量推进剂粒子从火箭喷管或推进器喷出的速度；
    · 比冲（简称 isp）：衡量发动机產生推力的效率，通常定义为 “发动机在 1 倍地球重力加速度（1g）下能够持续產生推力的时间”—— 即发动机能使火箭在地球重力场中悬停（既不上升也不下降）的秒数。
    大多数现代火箭燃料的比冲在数百秒量级。需要注意的是：
    · 某些比冲较低的燃料在特定场景下可能更有用；
    · 比冲会受环境影响（如在大气层內或太空中使用，比冲会有所不同）。
    因此，我们通常会使用比冲较低的助推器来实现地面起飞 —— 这类助推器虽然效率不高，但能提供更大的推力。
    比冲与排气速度之间存在明確的数学关係：
    · 推进剂的排气速度除以地球重力加速度（32 英尺 / 秒 2 或 9.8 米 / 秒 2），可近似得到该推进剂的比冲；
    · 反之，比冲乘以地球重力加速度，可得到推进剂的排气速度。
    加粗 - 静態卫星
    与大多数以 “移动太空飞行器” 为目標的推进系统不同，静態卫星的设计目的是 “使物体保持静止”。
    静態卫星的概念由罗伯特?福沃德於 1993 年提出，名称由 “静態”（static）和 “卫星”（satellite）组合而成。它能够直接悬停在恆星上方，而非像普通卫星那样沿轨道环绕恆星运行。
    静態卫星的工作原理是 “利用太阳光的辐射压平衡恆星的引力”：
    · 静態卫星的主体是一个轻薄的物体，其平面与恆星光线垂直；
    · 太阳光照射在物体上產生的辐射压，与恆星对物体的引力相互平衡，使物体保持在固定位置。
    为確保静態卫星既不远离恆星也不坠入恆星，需要精確平衡其 “截面密度”（即单位面积的质量），因此静態卫星通常会配备调整截面和倾斜角度的装置 —— 这不仅能实现轨道维持，甚至能让静態卫星像太阳帆一样移动。
    静態卫星正常工作的关键因素是 “表面密度”（或截面密度）—— 即静態卫星的厚度，通常需要达到锡箔纸甚至更薄的水平。
    由於太阳光的辐射压和恆星引力均遵循 “平方反比定律”（强度隨距离平方递减），具有特定表面密度的静態卫星，其工作状態不受与恆星距离的影响。但需要注意的是，对於亮度 - 质量比不同的恆星，同一静態卫星无法正常工作 —— 恆星的质量差异通常在 100 倍以內，但亮度差异可超过 10 亿倍，这会导致辐射压与引力的平衡关係完全不同。
    静態卫星的设计还可进行多种变体：
    · 利用磁场偏转太阳风离子，作为太阳光辐射压的补充或替代；
    · 结合太阳反射镜或光束，使更重的静態卫星也能实现悬停。
    “拉格卫星”（lagite）是静態卫星的一种特殊变体，名称由 “拉格朗日点”（lagrange point）和 “卫星”（satellite）组合而成。它將常规轨道运动与推进系统结合，使物体能以 “非自然速度” 运行 —— 例如：
    · 近地轨道卫星通常每 2 小时环绕地球一周，而拉格卫星可实现每天环绕地球 1-2 周；
    · 绕水星运行的拉格卫星发电阵列，可在绕太阳运行的过程中始终与地球保持 “对齐”，从而持续向地球传输能量。
    加粗 - teleportation（ teleportation）
    虽然 teleportation 最广为人知的形式是短距离点对点传输（如《星际迷航》中的传送器），但这一广义的太空旅行类別可指 “任何无需在两点间实际航行，就能將物体直接传送到目的地的推进方式”—— 这与超空间跳跃引擎不同，后者通常需要进入一个与我们宇宙平行且全等的空间（在该空间中，要么空间尺度更小，要么光速更高）。
    teleportation 的实例种类繁多，差异极大，例如：
    · 弗兰克?赫伯特的《沙丘》系列中，宇航公会使用的 “摺叠空间推进器”（holzman drive）；
    · 电影《黑洞表面》中，同名太空飞行器所使用的推进器 —— 该推进器本应实现 “两点间瞬时移动”，但实际上却是一种超空间引擎（这让船员们大失所望）。
    尤其是用於超光速旅行的 teleportation，通常被归类为克拉克科技。
    加粗 - 火炬推进器或火炬飞船
    “火炬推进器” 一词常被用於描述核聚变反应推进系统 —— 这类系统通常只能將不超过 1% 的燃料质量转化为能量。但该术语的最初含义，源自罗伯特?海因莱因 1953 年的短篇小说《太空电梯》（skylift）中描述的 “火炬飞船”—— 这种飞船能够將 100% 的物质转化为能量。
    这种 “全质量 - 能量转化” 的特性意味著：
    · 火炬飞船的速度通常能比核聚变推进器高出一个数量级；
    · 其性能与反物质推进器相当。
    与反物质推进相比，“將物质直接转化为能量” 的方式具有明显优势：它允许太空飞行器使用从任何来源获取的物质作为 “燃料”，而无需进行复杂且危险的反物质製造和储存。
    有些观点认为，若一艘太空飞行器的 “排气速度 x 推力” 乘积达到极高数值，即可被称为火炬飞船 —— 例如：
    · 《太空无垠》系列中描述的高速度、高推力飞船；
    · 或加速度较低，但能输出数百太瓦功率的大型飞船（即便其推进速度仅为几英里 / 秒）。
    加粗 - 可变比冲磁等离子体火箭
    可变比冲磁等离子体火箭（简称 vasimr）是一种太空飞行器推进技术，属於电热推进器的范畴。其工作流程如下：
    1. 能量来源：通过反应堆、电池或太阳能电池板產生电能；
    2. 电离推进剂：电能用於產生无线电波，將中性、惰性的推进剂（通常是氙或氬等惰性气体）电离 —— 推进剂失去一个电子，获得正电荷；
    3. 加速等离子体：电离后的推进剂（等离子体）被注入一个布满电磁铁的空心圆柱体中，电磁铁像粒子加速器一样对等离子体施加作用力，將其以极高的速度（等效温度约为 100 万度）从太空飞行器尾部推出。
    相比之下，大多数化学火箭燃料的排气温度仅为数千度。
    可变比冲磁等离子体火箭及类似的发动机设计，使得配备优质电源（如核裂变 / 核聚变反应堆，或太阳能、能量束等外部电源）的太空飞行器，能够以极少量的燃料实现极高的速度。
    加粗 - 曲速推进器
    儘管阿尔库比勒曲速推进器和《星际迷航》中的曲速推进器是最著名的曲速推进器实例，但 “曲速推进” 这一类別早於这些概念，其核心思路是：
    · 太空飞行器无需在空间中 “穿行”，而是通过 “扭曲空间（或时空）” 来实现移动 —— 这一思路极具吸引力，因为爱因斯坦的相对论已证实 “时空可以被扭曲”，且这一现象已通过大量实验验证。
    因此，人们提出了许多利用时空扭曲实现太空飞行器推进的设想。此外，时空扭曲还能规避相对论对超光速飞行的限制，並且理论上可能实现 “低燃料 / 低能量消耗” 的太空旅行。
    需要注意的是，利用时空扭曲实现超光速飞行仍面临诸多问题，这些问题可能使这种应用从根本上无法实现。但即便如此，时空扭曲在亚光速旅行中仍具有实用价值 —— 实际上，引力辅助机动（利用行星、恆星等大质量天体的引力加速）就可被视为时空扭曲在推进中的一种应用（大质量天体本身就会扭曲时空）。
    然而，大多数曲速推进概念不仅需要 “收缩空间”（普通质量和引力就能实现这一点），还需要 “膨胀空间”—— 这需要使用负质量或负能量。目前，尚未有確凿证据表明负质量存在，负能量的存在也仅在卡西米尔效应和真空能量的相关研究中存在爭议（尚无定论）。
    加粗 - 虫洞推进器
    虫洞推进器是克拉克科技的一种实例，它利用虫洞进行推进，但並非 “穿越虫洞旅行”，而是 “通过虫洞从外部获取燃料”。
    若虫洞確实能够被製造出来，其形成过程可能存在以下限制：
    · 虫洞的入口和出口必须在同一位置生成，然后再將它们分开；
    · 虫洞的出口可能隨机出现在某个位置（如大质量引力场深处，甚至另一个宇宙）；
    · 虫洞可能是单向的，或在物体穿越时具有破坏性（导致穿越的信息和物体被不可逆地打乱）。
    若上述任何一种限制成立，利用虫洞进行旅行的另一种方式是：
    · 將虫洞的一端放置在恆星近轨道（甚至恆星內部）；
    · 將虫洞的另一端放置在太空飞行器尾部；
    · 恆星的物质和能量通过虫洞输送到太空飞行器尾部，產生巨大推力，且无需太空飞行器自身携带燃料 —— 从而规避火箭方程的限制。
    类似地，“星门” 式的 portals（传送门）技术也可用於：
    · 向太空飞行器发送物质或雷射束；
    · 实现货物或人员的传输。
    今天，我们探討了眾多太空飞行器发动机，从经典设计到遥远未来的设想，其中一些或许能让我们实现前往其他星球的梦想。但目前，我们仍主要依赖火箭技术，而一个非常现实的问题是：在火箭技术对环境造成负面影响之前，我们能將其规模扩大到何种程度？
    遗憾的是，许多技术（尤其是交通领域的技术）都会对环境產生各种负面影响，无论是森林砍伐、碳排放，还是对空气和水质的污染。对於如何解决这些问题，人们往往存在诸多分歧。