星際旅行準(zhǔn)備出發(fā)

劉安立

1936年10月31日，被稱為“火箭男孩組”的6名年輕學(xué)者在一次掙脫地球引力的嘗試中差點(diǎn)讓自己焚身。當(dāng)時(shí)，他們聚集在美國(guó)加州圣加布里埃山腳下的一個(gè)沖溝里，測(cè)試一部以酒精為燃料的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。他們想證明火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能夠進(jìn)入太空，而當(dāng)時(shí)這種理念被認(rèn)為荒唐可笑。在這次實(shí)驗(yàn)中，一根氧氣管著火后猛烈擺動(dòng)，噴發(fā)火焰——實(shí)驗(yàn)失敗。

“火箭男孩組”的大膽嘗試引起了空氣動(dòng)力學(xué)家卡門的注意。實(shí)際上，卡門在加州理工學(xué)院已經(jīng)和這個(gè)男孩組的兩名成員共事過(guò)。后來(lái)，在“火箭男孩組”這次實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)不遠(yuǎn)處，卡門建立了一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)區(qū)，“火箭男孩組”在這里重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1943年，這里變成了“噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”（即今天美國(guó)宇航局中的同名部門，簡(jiǎn)稱JPL），卡門是該實(shí)驗(yàn)室第一任主任。今天的JPL規(guī)模宏大，雇員數(shù)千，但其創(chuàng)立目的一直沒(méi)變，那就是——摒棄傳統(tǒng)，挑戰(zhàn)探索極限。

多年來(lái)，JPL獲得了許多成功。JPL工程師在20世紀(jì)70年代初建造的先鋒10號(hào)，是達(dá)到太陽(yáng)系逃逸速度的第一艘飛船。在這之后幾年，他們建造的旅行者1號(hào)和2號(hào)飛船成為速度最快的星際空間探索飛行器。從太空時(shí)代開始到兩艘旅行者號(hào)飛船發(fā)射之間僅僅經(jīng)過(guò)了20年，而火箭科學(xué)家就己實(shí)現(xiàn)了飛船速度翻倍。但在這之后幾十年，只有一艘飛船跟隨旅行者號(hào)的步伐向太陽(yáng)系外沖去，而在提高飛船速度方面則停步不前?，F(xiàn)在，JPL的火箭工程師們?cè)俣溶S躍欲試，謀劃下一次大飛躍。

這些工程師認(rèn)為，只在太陽(yáng)系以內(nèi)轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去是不夠的，飛到已知行星以外去、甚至飛往其他恒星的時(shí)間已到。JPL飛行工程師布羅非正在研發(fā)的一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)，有可能讓太空飛行速度增加10倍。JPL任務(wù)構(gòu)建工程師阿爾卡來(lái)正在策劃以飛行器飛向太陽(yáng)為開端的遠(yuǎn)程旅行。而JPL科學(xué)家圖瑞謝夫的理念恐怕是最狂野的，那就是讓一部太空望遠(yuǎn)鏡看清太陽(yáng)系外類地（類似地球）行星的表面細(xì)節(jié)。

上述任務(wù)都有半科幻性質(zhì)，但就算其中只有一項(xiàng)能夠成功，其意義也非同凡響。“火箭男孩組”及其同事幫助人類進(jìn)入了太空，而新一代JPL人則可能讓人類進(jìn)入星際空間。

“突破攝星”

布羅非的靈感來(lái)源于“突破攝星”計(jì)劃。這個(gè)大膽過(guò)頭的計(jì)劃由英國(guó)科學(xué)家霍金和俄羅斯億萬(wàn)富翁米爾納在2016年提出。該計(jì)劃的終極目的是建造一個(gè)1.6千米寬的激光陣列，用它把一部微型飛船加速到光速的20%，從而讓飛船僅用20年時(shí)間就飛到半人馬座阿爾法星系（與地球距離最近的另一個(gè)恒星系統(tǒng)）。

布羅非對(duì)“突破攝星”掙懷疑態(tài)度，但他同時(shí)又認(rèn)為這個(gè)設(shè)想有趣。離奇的想法對(duì)布羅非來(lái)說(shuō)并不新鮮，因?yàn)镴PL向來(lái)鼓勵(lì)突破傳統(tǒng)思維，所以JPL內(nèi)部包括布羅非本人的設(shè)想越來(lái)越新奇、膽大。但就算以這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，布羅非仍然覺(jué)得“突破攝星”太過(guò)遠(yuǎn)離技術(shù)現(xiàn)實(shí)。不過(guò)，他還是開始思考：縮小版的“突破攝星”計(jì)劃是否可能在百年內(nèi)變成現(xiàn)實(shí)？

布羅非最感興趣的理念是，使用“突破攝星”風(fēng)格的激光束來(lái)對(duì)付“火箭等式”。該等式把飛船運(yùn)動(dòng)與飛船搭載的推進(jìn)劑數(shù)量聯(lián)系起來(lái)。如果想飛得更快，就需要更多燃料，而更多燃料意味著飛船更重。這就是要用一枚超大型火箭發(fā)射一艘816千克的旅行者號(hào)飛船的原因。

從20世紀(jì)70年代末的研究生階段開始，布羅非一直在研發(fā)一種有效性大大提高的火箭技術(shù)——離子推進(jìn)。離子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)用電能把帶正電的原子（稱為離子）高速噴出推進(jìn)器。每個(gè)原子只能提供很小的推力，但所有原子合起來(lái)能比常規(guī)化學(xué)燃料把火箭推至快得多的速度。更好的是，運(yùn)轉(zhuǎn)離子發(fā)動(dòng)機(jī)所需的電能可以來(lái)自太陽(yáng)能電池板，這樣就無(wú)需船載燃料或發(fā)電機(jī)。通過(guò)從較少推進(jìn)劑中獲得更快的速度，離子發(fā)動(dòng)機(jī)在馴服“火箭等式”方面前進(jìn)了一步。

但離子發(fā)動(dòng)機(jī)也有自身缺陷。它們離太陽(yáng)越遠(yuǎn)，它們的太陽(yáng)能電池板發(fā)電量越少。當(dāng)然可以把電池板做得更大，但離子發(fā)動(dòng)機(jī)的重量也大大增加。此外，離子發(fā)動(dòng)機(jī)自身推力太小，離子火箭根本就飛不起來(lái)。離子發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛船升空后，要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間才能讓自己加速到破紀(jì)錄的速度。布羅非深知這些問(wèn)題。他參與設(shè)計(jì)了美國(guó)宇航局“黎明號(hào)”飛船上的離子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，該飛船最近完成了為期11年、對(duì)小行星灶神星和矮行星谷神星的造訪。就算“黎明號(hào)”的太陽(yáng)能電池板直徑達(dá)20米，該飛船的速度從每秒0千米加速到60千米也花了4天時(shí)間。

離子發(fā)動(dòng)機(jī)

正當(dāng)布羅非為發(fā)動(dòng)機(jī)效率與太陽(yáng)能電力限制之間的矛盾而苦惱時(shí)，“突破攝星”計(jì)劃公布。布羅非頓悟：如果用高強(qiáng)度激光束代替陽(yáng)光對(duì)準(zhǔn)飛船，會(huì)怎樣呢？在效率更高的激光推動(dòng)下，離子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更有力，但同時(shí)又降低自身重量，因?yàn)轱w船無(wú)須搭載電源。

在有了這一頓悟的兩年后，布羅非在JPL的小型實(shí)驗(yàn)室中制造了一部高性能離子發(fā)動(dòng)機(jī)。它使用的鋰離子比“黎明號(hào)”使用的氙離子輕得多，因此達(dá)到較高速度所需的能量也較少。新離子發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電壓為6000伏特，而“黎明號(hào)”的為1000伏特。布羅非指出，如果采用激光來(lái)為新離子發(fā)動(dòng)機(jī)供電，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的效率會(huì)更驚人。