深度：霍金激光加速以外還有哪些“超炫”的推進技術
英國著名物理學家霍金日前宣布，將致力于用地面激光遠距離持續(xù)作用于航天器的帆板上，使其加速至光速的五分之一，在飛行20年后抵達4光年以外的半人馬星座。
這個想法看起來很科幻。其實此前航天界已在研究三種很“炫”的推進技術，也不比霍金的計劃差。
小巧靈便的電推進
航天電推進系統(tǒng)也叫電火箭。它不用化學燃料，而是以電能加熱或電離推進劑，使其加速噴射而產(chǎn)生推力。
電推進系統(tǒng)的效率是目前運載火箭所用化學推進系統(tǒng)的10倍，具有高比沖(即消耗單位質量的推進劑所能產(chǎn)生的沖量)、省燃料、振動小等一系列特點。單從省燃料一點來看，電火箭完成同樣任務所需的推進劑越少，就越能大幅提高航天器內(nèi)的其他有效載荷，據(jù)測算最多可提高90%左右，是目前世界最先進的航天推進技術。
2003年9月升空的歐洲首個月球探測器“SMART-1”號，便試用了基于上述原理的太陽能離子發(fā)動機。該裝置將太陽能轉化為電能，再電離惰性氣體原子，噴射出高速氙離子流，為探測器提供主要動力。據(jù)測算，它利用燃料的效率比普通化學燃料發(fā)動機高10倍，在當時創(chuàng)造了連續(xù)正常運轉2000小時的世界紀錄。而去年造訪谷神星的美國“黎明”號小行星探測器，裝有3臺氙離子發(fā)動機，可使帶電氙離子以14萬公里的時速向后噴射，提供強大動力。
呼之欲出的核電火箭
把航天核電源用于電推力器，便有望制成核能電火箭。與目前所用的太陽能電推進系統(tǒng)相比，采用更加穩(wěn)定充足的核電源，可大大提高航天電推力器的比沖和推力。
核能電火箭由核反應堆系統(tǒng)、熱電轉換系統(tǒng)和電-推力轉換系統(tǒng)組成。它利用核反應堆運行時產(chǎn)生的熱量來加熱特定的媒介物質，使其吸收熱量后形成高溫高速的噴氣射流，從而產(chǎn)生推力?；蛘咄ㄟ^熱電轉換將核反應產(chǎn)生的能量轉換成電能，再用電能加速帶電粒子，高速噴射，產(chǎn)生反作用推力。核能電火箭產(chǎn)生的比沖可達當代最好的化學火箭的幾倍至幾十倍，可節(jié)省大量任務時間和成本。
據(jù)測算，傳統(tǒng)探測器從地球飛到土星的時間約為7年，改用核能電火箭后，這一旅程可縮短至3年，從地球飛抵太陽系邊緣的時間有望從15年降至5年。
2009年10月，俄聯(lián)邦航天局宣布，俄將研制核動力飛船，其飛船的核反應堆功率將達兆瓦級，遠超上世紀冷戰(zhàn)時期造出的千瓦級核動力衛(wèi)星。該計劃預計在2025年完成。
2015年9月，美國航天局表示其正在資助10年內(nèi)制成小型核能電火箭發(fā)動機的試驗，其飛行試驗將選用推力為3.4噸或7.5噸的發(fā)動機，計劃中的演示驗證任務將是飛越月球。
“紙上談兵”的光子火箭
大約60年前歐洲科學家提出了光子火箭的概念，其實與霍金的設想非常類似。它的發(fā)動機依靠光子的定向流產(chǎn)生推力，其主要機構部件是光子源。為了在光子源中獲得足夠大的光壓，需保持超高工作溫度。
具體來說，研究人員設想用反質子與質子作推進劑，利用反質子與質子相遇爆炸的湮滅反應，生成有巨大能量的光子及中微子束，并借用大型凹面反射鏡向后方噴射來產(chǎn)生推力。這種湮滅反應所產(chǎn)生的能量密度可高達每千克10的17次方焦耳，比核裂變反應放出的能量密度高3個數(shù)量級，在理論上可擁有最高比沖。經(jīng)計算，幾百噸重的光子火箭作火星往返航行時，僅需幾十克反質子和質子。目前科學界已開展反質子的生產(chǎn)、捕集和儲存研究。
今年2月，美國加州大學圣巴巴拉分校物理學教授菲利普·魯賓對媒體介紹了他的光子火箭設計方案——其推進系統(tǒng)用激光束施放出來的光子提供推動力，使火箭飛行速度最高達到光速的四分之一。如此將100公斤的無人航天器送到火星只需3天時間，把載人航天器送到火星只需一個月時間，而現(xiàn)在單程載人赴火星理論上至少需要9個月。
當然，這一想法還僅停留在理論階段。
