星際航行

星際航行是行星際航行和恆星際航行的統稱。行星際航行是指太陽系內的航行,恆星際航行是指太陽系以外的恆星際空間的飛行。不載人行星際航行已經實現,而恆星際航行尚處於探索階段。

星際航行

簡介

星際航行(interplanetary and intersteller navigation)是行星際航行和恆星際航行的統稱。行星際航

已知太陽系最外層行星(冥王星)的軌道半徑為60億千米,而離地球最近的恆星(半人馬座比鄰星)與地球相距4.22光年,約合40萬億千米,其他恆星和星系的距離則更遠。人們現在能觀測到的宇宙範圍約為100億光年,用現在火箭技術所能達到的速度(20千米/秒)可以飛出太陽系,但不能實現恆星際航行。因為以這個速度航行到最近的恆星比鄰星約需65000年。航天器只有達到接近光速的速度,恆星際航行才有實際意義。要使航天器接近光速,必須把火箭的噴氣速度提高到接近光速。

現狀

現階段航天中使用的化學火箭發動機、核火箭發動機和電火箭發動機的噴氣速度只有光速的幾萬分之一。設想中的有可能用於未來恆星際航行的推進系統的有:

①脈動式核聚變發動機:把核燃料做成很多細小的顆粒──「微型氫彈」,用激光或粒子束加熱到極高溫度,引起微型氫彈爆炸,產生衝擊波和粒子流,使其向一定方向噴射,產生反作用推力。逐個點燃「微型氫彈」可獲得脈動式的持續推力。

②星際衝壓式發動機:在恆星際航天器前面裝一個巨大的收集器,在航行中不斷吸入星際空間的氫,利用氫的同位素氘為核聚變發動機提供燃料。但是這樣的收集器據計算直徑將達到數千公里。有人設想在航天器前面造成一個大範圍的人工磁場,形成無形的收集器,用磁力線捕獲星際空間的氫離子。

③光子火箭發動機:根據著名的愛因斯坦質能公式:能量=質量×(光速)2,利用物質和反物質相互作用,其質量全部湮滅而轉化為光能。使質子與反質子在發動機中進行反應產生光子流,光子流以光的速度從火箭噴管噴出,產生反作用力,推動火箭前進,這就是光子火箭原理。光子火箭的設想早在1953年就提出來了,但是反物質的產生、貯存和使用,發動機的設計和控制,以及大面積反射鏡的製造都不是短時期內所能解決的問題。根據愛因斯坦狹義相對論,在以接近光速飛行的航天器上,時間的進程遠比地球上慢,這個效應稱為時間延緩效應。設T是航天器上的時間,Te是地球上的時間,V是航天器的速度,C是光速,則有關係式:例如:當V=0.9C時,T=0.436Te;當V=0.9999995C時,按照這個效應航天器上的時間僅為地球上時間的千分之一。這樣一來就有可能在人的壽命期限內完成一次往返遙遠恆星天體的恆星際航行。

進展

在休斯頓召開的「百年星艦」恆星際航行計劃中,來自世界各研究機構的科學家、工程師、哲學家、心理學家以及其他領域的人士共同討論了人類在進行恆星際探索時所面對的問題,指出該計劃面臨的最大困難並非技術限制,而是人類本身。科學家希望以此推動宇宙飛船的革命性動力系統的研究、生命支持系統、飛船以及模擬生物圈的設計等,計劃得到了美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資金支持。

對當今人類社會的研究(比如廢物利用、資源管理問題、交通堵塞等)可使科學家在著手進行恆星際空間飛

行計劃中起到積極作用。進行數萬年以上的恆星際旅行需要進行「多代繁衍」才能保持人類的種子可播撒到另外一顆恆星系統中,這就需要超級宇宙飛船中可以融合自然生態系統和人類社會並長期共存,類似於一個完整的生物圈。科學家設想的未來宇宙飛船生態系統並不是一個封閉性的空間環境,而是開放的,通過核聚變產生類似太陽光的能量為整個生態系統提供能量,並在飛船中製造人造重力場,同時也嵌入了真正的生態建築的理念,每一個建造材料都是可再生的,可循環的。

早在二十世紀六十年代,研究人員戈登·帕斯克(Gordon Pask)和斯塔福德·比爾(Stafford Beer)探討了在控制論試驗中使用生物和化學系統達到不同建築物質實體的效果,實現創新點。在過去的二十年,合成生物學、化學技術(設計、工程和生命系統技術)的進步使得我們可以打造出包括氣流、土壤和水環境等生物圈的基礎架構。傳統意義上,人體可以看做一個離散的結構,通過近年來遺傳分析和微生物的發現,我們的基因組中混雜著細菌和病毒的遺傳信息,我們身體中90%的細胞都與細菌有關,而且人體中存在大約三公斤的細菌細胞,它們幫助我們消化食物,參與免疫系統等。

因此在進行恆星際空間飛行的旅程中,飛船上的人類社會和自然生態系統需要實現可持續的發展,比如水環境的循環,通過吸收輻射和熱量再導入微生物的生態群落中。人類在進行長距離的星際航行需要面對資源、環境以及飛船社會結構等諸多問題,所有的一切都在以維持飛船上宇航員的生命為目的,由此生命維持系統、甚至是在飛船上延續人類後代的技術都顯得至關重要。SETI(搜尋地外智慧)研究所的創始人、天文學家吉爾·塔特(Jill Tarter)認為「百年星艦」計劃是一場硬仗,我們要打造的是一艘能夠進行恆星際航行的宇宙飛船。