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想實現光速旅行,這些方法都沒戲

幸运武林开奖结果 www.qqdnev.tw 科學家一直在尋找更為高效的太空旅行方式,甚至大開腦洞,構思出種種光速旅行的設想。但以目前可以預見的技術手段,人類不可能實現光速旅行,也不可能實現恒星際航行。

去別的星球看一看、玩一玩,甚至干脆住下來,是許多科幻迷的夢想??蒲Ъ頤且蒼諼從瓿耒?,為人類尋找“第二家園”。從火星、半人馬座到開普勒452B,他們的目光越投越遠。

然而現實問題是,就算找到一顆合適的類地行星,我們也沒辦法搬過去。面臨考驗的不僅是航天技術,恐怕還有人類的壽命。以電影《阿凡達》中在半人馬座虛構的“潘多拉”星球為例,要前往這顆距我們4.4光年的星球,即使按太陽神2號創造的人類飛行器速度紀錄(約每小時25萬公里)來計算,也需要差不多2萬年。

為了實現夢想,科學家一直在尋找更為高效的太空旅行方式,甚至大開腦洞,構思出種種光速旅行的設想。但中國航天科工集團二院研究員楊宇光向科技日報記者表示:“以目前可以預見的技術手段,人類不可能實現光速旅行,也不可能實現恒星際航行,除非人類對基本物理學認知上出現質的飛躍?!?/p>

光速旅行設想缺乏物理學支撐

最近,美國國家航空航天局(NASA)工程師大衛·伯恩斯提出了一種近光速粒子加速相對性螺旋引擎概念。他聲稱這種引擎無需任何燃料,就能讓飛船達到光速的99%。這一概念已發表在NASA的技術報告服務器上。

不過有專家認為,該設想可能得不到物理定律的支撐。

伯恩斯的發動機原理并不復雜。一個盒子一根桿,桿上套上一個圓環,盒子里的彈簧推圓環,滑到頭之后彈回來形成振蕩,這樣的效應會讓盒子來回擺動。伯恩斯認為,如果讓圓環滑動時質量增大,盒子的一端就會比另一端重,從而加速前進。要怎樣才能實現這種加速呢?伯恩斯認為,狹義相對論已經提出了解決辦法,那就是讓物質以近光速運動,這樣質量就會增加。他設想用粒子加速器代替圓環,粒子在一個沖程中迅速加速到相對論速度,而在接下來的沖程中則迅速減速。在這樣的情況下,實際上可以不要盒子和桿,而將粒子加速器設計成螺旋形進行橫向和圓周運動,就可以達成加速的目的。只要堅持不懈,終將使引擎速度接近光速。

然而這樣的加速方法效率極低,用165兆瓦功率產生的力,僅僅跟我們敲鍵盤的力道差不多。更尷尬的是,這種引擎需要在完全沒有摩擦力的環境下運行,稍有一點摩擦力,就足以將微弱的推力抵消,但所有慣性系統都不可能得到完全無摩擦的工作環境。

人類對光速飛行的追求由來已久。1953年,奧地利科學家尤金·桑格爾就提出了光子火箭的設想。

根據齊奧爾科夫斯基公式,火箭速度與發動機噴流速度成正比。那么,如果能讓噴流速度達到光速,火箭不就能以光速飛行了嗎?

但直到今天,光子火箭仍處于探索階段。除了制造大量反質子所消耗的能量、用于保障光子源獲得足夠光壓的高溫等問題無法解決,其物理原理也遭遇了瓶頸。楊宇光說,齊奧爾科夫斯基公式本是一個自然對數形式,但當噴流速度接近光速時,則變成雙曲正切函數形式。簡單說,即使噴流速度能達到光速,火箭的加速效率還是很低,要加速到光速極其困難。

還有人提出過更天馬行空的設想,例如通過曲率驅動引擎,令前方空間收縮而后方空間膨脹,使飛船速度打破光速限制。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩對此評價:“科幻?!?/p>

近年來,有些科學家發現曲率引擎似乎沒有想象中那么難,開始嘗試將科幻變為現實。但楊宇光表示,曲率引擎的原理是對空間進行折疊,需要的能量達到了黑洞量級?!叭死嗖拿饕岳?,收集到的所有能量,都不足以支持一艘飛船產生改變空間的能力,而且是差很多個數量級?!彼?,“在目前看來,這一設想在工程上不可能實現?!?/p>

五花八門的高速飛行方案仍在探索中

既然光速旅行的夢想遙不可及,有些科學家便退而求其次,希望找到更具操作性的高速飛行方式。例如2017年,斯蒂芬·霍金提出了基于激光推進原理的“突破攝星”計劃。

該計劃以距離地球4.2光年的比鄰星為目標?;艚鹛岢?,希望研制1000個幾厘米大小、功能完備的探測器,在地球上建立激光器列陣,用超強光束讓它們加速到光速的五分之一,這樣可以在20年后到達比鄰星并傳回相關信息。

這項計劃也不被看好。行星科學專家、中科院國家天文臺研究員鄭永春曾向科技日報記者表示,激光推進需要在地面建設強大激光源,不斷跟蹤、照射飛行器,但這么遙遠的距離,怎樣保證激光源能一直瞄準這么小的飛行器?另外,光的能量與距離的平方成反比,隨著飛行器離地球越來越遠,激光所能提供的動能也會迅速衰減。這都是難題。

楊宇光認為“突破攝星”計劃在工程上根本無法實現。他說,要將幾克量級的飛行器加速到每秒6萬公里,所需能量相當于400噸左右TNT炸藥的當量。同時需要考慮到,激光器作用距離有限,能達到100萬公里就不錯了,這要求加速過程要在極短時間內完成,而這是目前任何材料都無法承受的。同時,該計劃還面臨軌道測量、信號傳輸等難題。

除了使用地球上的能源之外,科學家還將目光轉向了宇宙“外援”——太陽正成為科學家寄予希望的宇航動力之一。俄羅斯薩馬拉大學近日發布消息稱,該校專家正在研究能借助太陽光壓快速移動的太陽帆飛船,其速度能達到目前人類最快探測器速度的10倍以上。記者了解到,美國太空組織“行星學會”此前已經發射光帆2號飛船對該技術進行了驗證,我國也在開展相關技術研究。

楊宇光介紹,該技術利用巨大的光帆,可以將特別輕微的航天器加速到每秒數百公里量級,但對于載人飛船或是大型探測器卻無能為力。同時,探測器離太陽越遠,獲得的動力就越弱。因此太陽帆飛船只能用于太陽系附近的無人探測任務。

在五花八門的未來航天技術設想中,太空電梯常被人津津樂道。太空電梯有幾種形式,比較實用的,是從赤道附近架設“電梯”通往地球靜止軌道空間站,以實現快速便捷的天地往返。

龐之浩表示,目前人類航天活動中最費力的,就是從地面發射進入太空軌道的階段,要付出高昂的成本、消耗大量燃料。而太空電梯可以幫助人類跳過這一階段,從更高的起點出發。

不過,太空電梯畢竟只能解決“起跑”問題,剩下的“馬拉松”要想更快完成,還得依賴其他宇航動力技術。而且這也不是很快就能實現的。龐之浩說,太空電梯所用“纜繩”要有數十倍于鋼材的強度、超輕的質量,以及可以接受的成本。目前唯一符合條件的材料是碳納米管,許多國家在開展攻關,但離工程應用還很遙遠。業內預測,太空電梯相關技術有望在本世紀內取得突破。

核動力火箭無法完成恒星際航行

既然上述種種設想短期內都無法實現,我們暫時還是把目光收回到當前的主流航天動力形式——火箭上吧。

龐之浩表示,常規的化學動力火箭,在推力、速度等方面基本已達到瓶頸,很難再有較大突破。不過,科學家正在對多種新型動力火箭開展研究,包括核動力、電推進、電磁驅動等。

龐之浩介紹,美國前華裔宇航員張福林創辦的公司,正在設計一款“可變比沖磁等離子體火箭”。這種核電火箭據說僅需1個多月就能飛到火星,但相關技術還處于研究階段。

美國與俄羅斯正在聯合研制核動力火箭,與傳統火箭每小時2萬公里的速度相比,其時速可達到8萬公里,能將火星旅行時間縮短到2個月。不過該方案也面臨許多技術難題,還存在一個嚴重的副作用——核動力產生的輻射,相當于讓宇航員每天拍8次X光片。與核動力相匹配的防輻射措施,目前尚待攻克。

在動力學中,“比沖”是體現發動機工作性能和推進劑能量特性的主要技術指標,以牛秒/千克或秒為單位。楊宇光說,目前常溫化學燃料火箭發動機的比沖通常是300多秒,氫氧發動機為450秒左右,電推進火箭發動機最高可達1萬秒。如果人類能掌握受控核聚變技術,可以讓火箭發動機獲得功率極高的能量來源,則有望將比沖提升10倍?!叭綣锏秸飧齔潭?,人類將能夠在太陽系內自由航行?!彼?,“但對于恒星際航行,仍然差了好幾個數量級,還是做不到?!?/p>


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