幻心雕龙 | 赵洋:《三体》航天考(二)

四十二史 2018-01-10 20:33:33

本文摘选自《太空将来时》一书,感谢作者和果壳阅读授权发布。

(赵洋:《太空将来时》,清华大学出版社,2013年)


赵洋



《三体》航天考(二)



1

轻舟一叶翔天宇

在《三体III》的“阶梯计划”中,人类举全球之力,发射了一艘辐射帆飞船,它先后承受了上千次核爆的力量,将云天明推往三体舰队的方向。辐射帆这个概念绝非空穴来风,其身世最早可追溯至科学革命时期

从太阳帆到光帆

四百年前,开普勒就曾经提出利用帆船来探索星空的设想。他猜测彗星尾部会受到某种微弱“太阳风”的吹拂,于是设想可以利用这种风来推进带帆的飞行器,就像海风推动帆船一样尽管开普勒关于太阳风的解释后来被证实是错误的,但后世的科学家们却由此受到启发,发现太阳光确实可以施加足够的作用力来移动物体


太阳光的力量十分微弱,在地球轨道上,每平方公里表面接受的太阳光压才有4.55牛顿,也就是一个苹果的重量而已。虽然力量微弱,但太阳帆提供的推力贵在持久。只要有阳光照耀,它就可以一直工作,在太阳光的压力下缓慢加速,并通过调整帆面相对太阳的角度来控制速度及方向。日复一日,年复一年,太阳帆总有一天会达到惊人的高速度。


这一天也并不遥远,假如有一艘帆面7万平方米的太阳帆飞船,飞船质量是500千克,那么它离开地球轨道时每秒的速度增加值是1毫米/秒。但日积月累,等到抵达火星轨道时,时间才过去284天。算下来这个速度比许多化学火箭还要快。

太阳光帆设想图


太阳帆飞船已不再是停留在蓝图上的构想,不少国家都在进行太阳帆飞船试验。

在《三体》故事中,程心提出阶梯计划构想后,行星防御理事会战略情报局(PIA)的专家展开了热烈的讨论。一位曾主持“那次”失败的太阳帆试验的俄罗斯专家指出:“辐射帆可以做得很薄很轻,按现有的材料技术,五十平方公里的面积可控制在五十公斤左右,这么大应该够了。”(《三体III》144页)

“那次”失败的试验应该是指第一艘太阳帆飞船“宇宙1号”试验。“宇宙1号”由美国行星学会、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年联合建造而成,重50公斤,由8片长度为15米的三角形聚酯薄膜帆板组成花瓣形,帆板总面积600平方米。每张帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋还薄,但它们异常牢固,并且表面上涂满了高效反光物质。帆板与支撑杆的结构就像直升机旋翼一样,可以通过调整来改变飞船的飞行方向和速度。据计算,在阳光微弱的压力推动下,“宇宙1号”太阳帆将会以每秒1毫米的速度慢慢地加速移动。在帆面展开24小时后,太阳帆的速度将增至每小时100英里;到第100天时,它的速度将达到每小时1万英里。如果“宇宙1号”能持续飞行3年,速度会提升到每小时10万英里,这是任何人造飞行器都没有达到过的速度,相当于目前飞得最远的“旅行者号”探测器飞行速度的3倍。如果用“宇宙1号”来探测冥王星的话,可以在不到5年的时间里完成从地球到冥王星的旅程,而美国宇航局使用常规推进技术探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。


2005年6月21日,“宇宙1号”于从位于巴伦支海水下的俄罗斯核潜艇上通过“波浪”运载火箭发射升空。不幸的是,火箭在发射升空后83秒就与地面失去了联系。


到目前为止,最成功的太阳帆试验是日本2010年发射的“伊卡洛斯”号试验太阳帆。2011年1月,完全依靠太阳能驱动的“伊卡洛斯”已成功完成全部实验项目,包括利用阳光实现加速和改变轨道等。“伊卡洛斯”有一面对角线长度20米的方形帆,由聚酰亚胺树脂材料制成,厚度仅0.0075毫米。它在飞行中将不断旋转,依靠离心力使帆保持张力。


图为“伊卡洛斯”号试验太阳帆


除了在太阳系内飞行,太阳帆还可以作为恒星际探测器。因为成本低、飞行速度快,它是在低技术条件下飞出太阳系、飞向恒星空间的首选航天器。1984年罗伯特-弗沃德做出的工程分析表明,进行长期太空飞行的最佳方法是向一个大型薄帆发射大功率激光。当激光帆采用整体式圆盘布局并搭载1吨的有效载荷时,最大速度能达到光速的十分之一,飞抵半人马座α星(这正是《三体》中地球人的死敌——三体人的故乡)仅需40年或更少的时间。此时的光帆直径为3.6公里,帆面材料为纯铝镜面。


虽然光帆面积庞大,帆面支撑等技术要求较高,但较其他形式的恒星际飞船而言,光帆仍是技术和经济上最容易实现的方案。据估算,如使用金属铍作为帆面材料时,上述飞行的耗电费用为66.3亿美元。这只相当于阿波罗计划投资的1/4而已。因为地球大气会使激光衰减,理想的发射站应当位于月球等天体。如果未来能够开采月球上的He-3资源并实现受控核聚变,发自月球的激光就可以射向宇宙深处的一叶孤帆。届时,人类就真正地向深空跨出了一大步。


科幻中的帆飞船

1921年,俄国航天先驱齐奥尔科夫斯基提出了太阳帆的概念。1963年,阿瑟·克拉克出版了科幻小说《太阳帆船》(Sunjammer),在小说中,主人公驾驶太阳帆飞船参加了从地球到月球的飞行竞赛,其景象颇似当今流行的帆船比赛。克拉克的这个故事令太阳帆的概念深入人心。


进入21世纪,好莱坞科幻片《星球大战前传:克隆人的进攻》中,杜库伯爵乘坐一艘张着大帆的星际飞船离开吉奥诺西斯星球,从克隆战争的风暴中逃脱。他乘着这艘飞船来到柯洛桑星球废弃的郊外,会见了他的黑暗导师。这艘种子形的飞船外壳打开后可释放出精致的太阳帆。星际间的高能粒子风给太阳帆施加了强大的推进力,使太阳帆船能高速航行。影片导演乔治·卢卡斯将它命名为吉奥诺西斯太阳帆船,这种外形奇特的交通工具与片中杜库伯爵谜一般的性格正相符。


图为吉奥诺西斯太阳帆船


回到《三体》的世界,云天明乘坐的辐射帆太阳帆/光帆的自然延续。可见光是电磁辐射的一种,辐射帆则特指使用其它种类辐射驱动的帆式飞船,包含这各种粒子和射线的核辐射自然可以驱动辐射帆。只是这种帆飞船目前还处于概念研究阶段。


小说里,为避免核爆辐射影响云天明的座舱,连接帆和座舱的帆索长达五百公里(《三体III》58页)。仔细分析我们会发现,如此长的帆索,弹性形变不可忽略。在脉冲式的核爆冲击作用下,帆体和座舱会在帆索张力的作用下围绕系统质心来回振动,飞行方向难以保持不说,甚至可能令飞船彻底损坏。大刘考虑到了这一点,他这样安排该飞船的命运:

“在木星轨道附近,阶梯飞行器的一根帆索断裂,飞行器偏离了预定航线……迷失于茫茫太空中。”(《三体III》232页)

2

无工质核聚变火箭为何胜出?

在探测三体舰队虚实的“阶梯计划”进行的同时,人类开始研究太阳系防御事宜。首当其冲的问题就是,用什么动力推进庞大的太空战舰?核聚变是当时人类最有可能掌握的高密度能源,该怎样使用核聚变能呢?固守化学燃料火箭思路的航天界实力派主张研发工质推进飞船,以核聚变能推动有质量的工质,产生反推力推进飞船。而太空军则力主研发不需要工质的辐射驱动飞船。


要理解二者的分歧所在,需要考察核火箭的发展历程。


工质推进核火箭

核能推进的设想最早是由参与曼哈顿工程的斯塔尼斯拉夫·乌拉姆和弗雷德里克·霍夫曼在1944年提出的。后来,美国原子能委员会与NASA联合实施了NERVA(火箭飞行器用核发动机)项目,该项目主要研究工质推进核火箭。其原理是核反应堆内的核燃料产生热量,推进工质流经反应堆吸收热量后,通过火箭喷嘴喷射出去。


NERVA采用氢气作为工质兼冷却剂。氢气具有优良的导热性能,在高温低压状态下容易离解为原子氢,并吸收大量的热。而且氢的导热性能可与金属材料相媲美,是最好的冷却介质之一,同时由于其分子量小而成为最优良的推进工质。1955年到1968年间,美国政府投资15亿美元,在在内华达州核试验场进行了多次核火箭测试。最后制出了重200千克,推力达到100吨的核火箭发动机,可使宇航员乘坐通勤飞船在24小时内到达月球或从月球返回地球


然而,就在功率4000兆瓦的核火箭发动机开始测试时,阿波罗登月计划遭到了尼克松政府大幅度的预算裁减。将更多的宇航员送上月球和载人火星计划被无限期推迟。1972年,已无用武之地的NERVA计划被取消。


后来,航天工程师,载人火星计划的大力鼓吹者罗伯特·祖布林又提出了一种核盐水火箭的构思。这种火箭以溶解了含有钚或铀235的盐水作为燃料。这些含核燃料的盐水存储在特殊设计的容器内,通过几何构造或中子吸收的方法来保证其不达到核反应所需的临界质量。推力通过加热这些放射性盐水来产生核裂变,并通过喷嘴排出产生推力。水在这里既作为中子减速剂也被当作推进工质。


无论是用氢还是盐水,工质核火箭都无法摆脱工质的束缚。核动力虽给飞船带来持久的续航力,但工质的消耗却令飞船难以远离补给站,就像蒸汽时代的铁路机车无法摆脱加水站一样。正是在这种情况下,太空军的灵魂人物章北海激愤地说:


“工质推进飞船不过是个大火箭,要用超过三分之二的运载能力运载推进工质,且工质消耗很快,这种飞船只能以行星基地为依托,在太阳系内航行。这样做,是在重复甲午战争的悲剧,太阳系就是威海卫!”(《三体II》221页)

两种核聚变火箭发动机

进入三体危机纪元后,为尽早造出核聚变火箭发动机,人类的可控核聚变项目设立了四个研究分支,分别按不同的研究方向进行。在现实中,受控核聚变的常用方式有两种,对应这两种方式,工程师提出了两种核聚变火箭发动机方案,它们各有优劣:

磁约束聚变发动机

磁约束聚变也叫做持续性聚变,是将核燃料变成数百万度的高温等离子体,使原子核活跃到能相互碰撞。由于等离子是带电的,所以可以用强磁场来束缚它们,否则高温离子体会熔化任何束缚它们的容器。《三体II》这样描述了磁约束聚变发动机试验失败的场景:

在人类太空舰队的发展方向确定为无工质辐射推进后,大功率反应堆开始进行太空实验。这时地面上的人们常常能看到三万公里的高空发出炫目的光芒。这被称作“核星”的光芒是失控的聚变堆失控产生的。核星爆发并不是聚变堆发生爆炸,只是反应器的外壳被核聚变产生的高温烧熔了,把聚变核心暴露出来。聚变核心像一个小太阳,地球上最耐高温的材料在它面前就像蜡一般熔化,所以只能用电磁场来约束它。(《三体II》242页)

磁约束聚变或许是核能发电的最佳方式,但未必适用于用于太空飞行。要约束住高温等离子体,必须安装一个磁场发生装置。这种装置由永久磁铁和电磁线圈组成,体积庞大,重量惊人。这意味着火箭发动机必须造得很大。大刘的态度很明确:小说中,首次实现可控核聚变发电后,物理学家丁仪对章北海说,“我早就感觉到托卡马克方式是一条死路,方向对了,突破肯定会产生。(《三体II》220页)”这里的托卡马克方式就是磁约束聚变。

图为托卡马克装置环形真空室


惯性约束聚变发动机

惯性约束聚变也被称作脉冲性聚变,利用激光或者粒子束来照射核燃料球产生超高温,生成比磁约束聚变时密度更高的离子体,从而引发聚变反应。由于此时反应时间非常快,小燃料球自身的惯性就可以维持热度足够长的时间来进行反应,所以无需强磁场束缚。在太空的真空环境中使用粒子束比在地球上具有明显的优势,可以不受大气分子的干扰。从这一点来说,此方案更为可行。不过,采用惯性约束还需安装激光器或粒子束发生器,并且需要给它们提供能量。虽然如此,此方案很可能比磁约束聚变发动机要轻。


稳定功率输出的可控核聚变虽然还未实现,但其原理是明确的,障碍只存在与技术领域。假以时日,定能取得突破。而且航天器的尺寸、结构与功能也得在现有基础上有很大提升。目前的聚变反应堆容器非常大而且重,这使得其并不好用于星际旅行,在未来如磁约束或惯性约束和等离子不稳定性等技术问题解决后,小型的聚变反应堆有可能被设计制造出来。


所以,大刘认为在二十一世纪内,人类有可能造出核聚变火箭。


图为激光照射燃料靶丸示意图


无工质核动力推进

“自然选择”号是亚洲舰队第三分舰队的旗舰,拥有最新一代的无工质聚变推进系统,全功率推进时,可以加速到光速的百分之十五。它的舰内生态循环系统十分完美,能够进行超长时间续航。(《三体II》327页)

 

《三体II》中对“自然选择”号的描写令人神往。大刘设想把核聚变产生的辐射能直接导向飞船后方,用反冲作用推进飞船前进。如果说太阳帆飞船是借助太阳的辐射飞行,那么无工质核动力推进就是把“小太阳”带在了身上。


其实,早在四十年前,就有人提出了速度类似“自然选择”号的无工质核聚变推进飞船构想。


1970年,美国内华达大学的温特伯格提出了用高能电子束引发核聚变(即“惯性约束”)的思路。他设计的火箭发动机在每次核聚变时可释放出约100亿焦耳的能量,可实现每秒300公里的高速飞行。几年后,参与“代达罗斯计划”的前罗尔斯-罗伊斯公司火箭工程师阿兰-邦德率领13人的研究小组提出了核聚变火箭的构思。这种核聚变火箭内有一个磁场构筑的燃烧室,通过向燃烧室的核燃料球发射电子束,产生高温等离子体,这些等离子体就是推力来源


发动机工作时,每秒钟向燃烧室发射250颗核燃料小球。在第一颗核燃料小球射入的时候,分布于燃烧室内腔的几十个电子束发生器射出电子束,轰击核燃料小球,氘和氦-3等核燃料发生每秒250次的核聚变反应,瞬间产生巨大的能量,推动火箭高速向前飞行。当第一级火箭工作完毕后会自动脱落,第二级火箭接着继续工作,这两级火箭可工作近4年的时间,能使火箭达到36000公里/秒的速度。如果只是高速掠过目标恒星,不采取减速措施,该火箭可以在一个人的有生之年——五十年——之内,抵达距地球5.9光年的巴纳德星。


对于长期星际飞行来说,速度不是唯一需要解决的问题。由于代达罗斯在旅途中不能与地球进行实时通讯,其本身必须拥有足够的应变能力才能保证顺利走完全程。其中一个最致命的问题是星际尘埃的轰击。虽然尘埃的密度并不高,颗粒也很小,但是在0.12倍光速下,这一影响不可忽略。在《三体》中,三体舰队穿越星际尘埃时,飞船数量减少了,有的飞船掉队了,这就是星际尘埃的阻滞力量。“代达罗斯”的解决方案是在飞船前方设置50吨重、7毫米厚的铍质防护罩,并可以通过携带的大量“尘埃虫”微型机器人在母船前方200公里处生成高速运行的粒子防护云,以“自我牺牲”的方式扫除前进道路上的障碍。如果有个别“漏网之鱼”撞到了飞船,还可以利用小型遥控机械装置“看守”在途中随时修复。这样一来,就可以避免三体舰队的厄运。

图为代达罗斯计划产物示意图(球形舱为燃料仓)


除了使用核聚变实现无工质推进外,核裂变也可达到这一效果。《科幻世界》2011年6月刊《核动力火箭征服太空》一文介绍了“乘坐”不断引爆的原子弹上天的猎户座核火箭,它就属于无工质核裂变脉冲推进。只不过这种推进方式有害辐射太多,属于“脏”火箭,为珍惜生命和环境的人们所不齿。


迄今为止,代达罗斯计划仍是论证最完备的核聚变火箭方案。它的构想影响了许多科幻影片:从《异形》到《阿凡达》,从《Wall-E》到《冲出宁静号》,这些影片都把核聚变发动机作为推动庞大飞船的“常规”推进方式。这也说明,科幻界认同这样一个观点:只要有足够的资源和决心,前进!前进!不择手段地前进!!!”,造出核聚变火箭并非不可能的任务。


神秘三体舰队的动力是什么?终极发动机——曲率驱动的真相

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