第166章 科幻引擎（三）

加粗  -  太阳蛾

太阳蛾是太阳热火箭的一种，其设计核心是利用抛物面反射镜（或成对的翼状反射镜），将附近恒星的光聚焦到装有推进剂的储罐上。

为了提高加热效率，储罐表面通常会有一半覆盖反光材料，使光线能进入储罐内部并在内部反射，从而充分加热罐内的气体。被超高温加热的气体将成为高效的推进剂。

在实际应用中，太阳蛾还可结合激光束、微波或其他形式的能量束，以获得更大的推力。

与单纯的太阳帆或激光帆相比，太阳蛾的优势在于能提供更大的推力，但这种推力依赖于推进剂的消耗  ——  一旦推进剂耗尽，太阳蛾就会变成一艘普通的太阳帆。

太阳蛾的设计特点决定了：

·  推进剂消耗越快，航天器加速越快，但有效载荷（货物）的携带能力越低；

·  结合物质束技术，太阳蛾还可在飞行过程中补充推进剂。

太阳蛾的设计非常简单，故障模式少，且几乎可以使用任何可汽化的物质作为推进剂，包括太空中常见的氢、水、甲烷、氨等  ——  这使其成为小行星带或柯伊伯带中探测器和载荷监测器的理想推进系统。

将太阳蛾的设计规模扩大后，还可用于移动彗星：通过从恒星系统内部向彗星发射能量束，彗星吸收能量后汽化冰层产生推进力，从而缓慢进入恒星系统内部区域。

加粗  -  负质量推进

负质量推进是一个统称，涵盖所有依靠负质量特性工作的推进系统。负质量的关键特性包括：

·  与普通物质收缩周围空间不同，负质量会使周围空间膨胀；

·  若对负质量施加一个推力，它会向与推力相反的方向运动（即  “你推它，它反而向你靠近”）。

由于目前尚未探测到任何负质量的存在，所有基于负质量的技术目前都被归类为克拉克科技，这其中包括大多数曲速推进器和虫洞推进器的设计方案。

根据负质量的  “惯性质量”  和  “引力质量”  是否为负（以及是否  “主动”  或  “被动”），人们提出了多种负质量的作用模型。在最常被讨论的模型中，负质量的特性如下：

·  正质量会同时吸引正质量和负质量；

·  负质量会同时排斥正质量和负质量。

由此产生的相互作用效果为：

·  两个正质量粒子相互吸引；

·  两个负质量粒子相互排斥；

·  一个正质量粒子和一个负质量粒子相互作用时，正质量粒子会被负质量粒子推开，而负质量粒子会被正质量粒子吸引，最终形成正质量粒子被负质量粒子  “持续追逐”  的局面。

这一特性正是直径推进器等无反冲航天器推进概念的理论基础。

加粗  -  中微子火箭

中微子是一种质量极小、速度极高的粒子，通常情况下几乎不与普通物质发生相互作用  ——  它们完全有可能穿过一整颗行星而不被吸收。

如果能够操控中微子，它们将成为非常理想的火箭推进剂：

·  中微子不会使周围的空气或结构超高温，也不会产生剧烈震动，因此能实现  “静音”  推进；

·  由于中微子难以探测，使用中微子推进的航天器还具有一定的隐身能力。

然而，目前中微子火箭仍被归类为克拉克科技，因为要实现这一技术，需要突破两大关键障碍：

·  实现中微子的  “完全反射”  或  “吸收”；

·  实现中微子的定向发射。

若能掌握操控中微子的技术或材料，理论上还能研发出效率更高的核聚变反应堆  ——  因为核聚变过程会产生大量中微子，若能捕获这些中微子并利用其能量，将大幅提高反应堆效率。

尽管中微子的隐身特性对低技术水平的探测手段有效，但可以想见，若某个文明已掌握中微子推进技术，其必然也拥有先进的中微子探测技术  ——  因此，中微子推进的隐身优势可能仅在特定情况下成立。

中微子推进的另一大优势是  “低热量传递”——  推进过程中几乎不会向周围物体传递热量，这使其在对热环境敏感的任务中极具价值。此外，中微子推进技术还可能为  “费米悖论”  提供一种解释：拥有先进技术的外星文明可能会使用这种  “静音”  且低热量的推进系统，从而难以被我们目前的探测设备发现。

同时，操控中微子的技术在能源和工业领域也具有巨大的应用潜力。

加粗  -  新星推进器

新星推进器及其  “升级版”——  超新星推进器，是一种移动死亡恒星（如白矮星）的方法。其核心原理是：向白矮星表面输送一股氢气流，引发小型  “新星爆发”，利用爆发产生的冲击力推动白矮星运动。

这种技术与猎户座推进器的设计思路相似  ——  后者通过在航天器后方引爆核弹来推动航天器，而新星推进器则是通过在恒星表面引发核爆炸来推动恒星，只不过规模要庞大得多。

加粗  -  核电动离子推进器

核电动离子推进器（也称为核电动火箭或核电动推进系统）是一类以核反应堆（裂变或聚变反应堆）为能量来源的推进系统。其工作流程如下：

1.  核反应堆产生热量；

2.  通过热机将热量转化为电能；

3.  电能用于驱动电动推进系统（如离子推进器），通过电极或电磁体加速带电粒子，使其以高速喷出，产生推力。

这类推进系统的应用场景包括：

·  航天器依靠核反应堆为飞船供暖、照明、维持生命支持系统等设备供电，同时利用多余电能驱动离子推进器，实现航天器的推进。

然而，核电动离子推进器面临两大主要挑战：

1.  能量转换损失：在  “热能→电能→推进力”  的转换过程中，每一步都会产生显著的能量损失；

2.  设备复杂性：需要携带额外的能量转换设备、电力传输系统等，这些设备不仅增加了航天器的质量，还存在磨损和维护需求。

因此，许多核动力推进设计方案都在尝试规避  “通过热机发电”  这一步骤，例如核灯泡推进器、核热推进器、核脉冲推进器等。

加粗  -  核灯泡推进器

初看之下，核灯泡推进器可能会被误认为是一种光子火箭，而且它确实可以被改造为光子火箭。但核灯泡推进器的核心设计目的是：

1.  核心结构：采用一个工作温度约为  22000  开尔文的气态堆芯裂变反应堆；

2.  石英壁设计：在反应堆外部设置一层石英壁，该石英壁对反应堆在  22000  开尔文温度下发射的辐射（主要是硬紫外线）具有透明性；

3.  推进方式：

o  若让紫外线直接从航天器尾部射出，可构成一台功率较弱但性能稳定的光子火箭（由于核反应堆能量密度高，其效率仍优于传统化学火箭）；

o  更常见的设计是：让紫外线照射到推进剂上，推进剂吸收紫外线能量后被加热至高温，随后高速喷出  ——  这种方式的排气速度最高可达  30000  米  /  秒，远高于目前最先进的化学火箭燃料，非常适合用于行星际航天器。

加粗  -  核脉冲推进器

核脉冲推进器（也称为外部脉冲等离子体推进系统）最著名的应用实例是猎户座推进器。其核心原理是：在航天器后方引爆核弹，利用核爆炸产生的巨大能量推动航天器加速。

核爆炸的能量与质量成正比，因此这种推进方式的能量密度极高。但需要注意的是：

·  并非所有核脉冲推进器都使用大型核弹或高频率爆炸；

·  理想情况下，我们希望使用小型核弹，并实现近乎连续的爆炸，以产生类似  “核火箭火焰”  的持续推力；

·  但现实中，核弹的尺寸越大，成本通常越低、效率越高；

·  因此，要实现  “微型核爆炸”（威力相当于常规炸弹甚至手榴弹），需要依赖超稀有人工元素或反物质催化核聚变技术。

核脉冲推进器的基本设计包括：

1.  推板（Pusher  Plate）：在航天器后方安装一块大型坚固的金属板，用于吸收或反射核爆炸释放的光子和粒子，将爆炸冲击力转化为向前的推力；

2.  缓冲系统：推板与航天器主体之间通过一组强力弹簧连接  ——  核爆炸推动推板向前运动时，弹簧会缓慢压缩，将推板的  “瞬时冲击力”  转化为对航天器主体的  “持续推力”，避免航天器因瞬间过载受损；

3.  变体设计：美杜莎推进器是核脉冲推进器的一种变体，它在航天器前方设置一个帆状结构，通过长系绳与航天器主体连接，核爆炸在帆状结构内部发生，推动帆状结构向前运动，进而通过系绳拉动航天器主体。

猎户座推进器是核脉冲推进器的首个主要设计方案，此外还有其他变体，例如  “戴达洛斯计划”——  该计划设想利用激光引爆含有氘氚触发剂的锂氘  pellets（与美国国家点火设施使用的激光核聚变方法类似），通过小型核聚变爆炸驱动航天器。

若未来能研发出可反射伽马射线的材料，将极大改善推板的性能  ——  通过反射而非吸收伽马射线，可使推板获得两倍的动量，大幅提高推进效率。这种材料对核聚变及其他高能物理应用也具有重要价值。

除了  20  世纪  50-60  年代的早期研究和后续的模拟计算外，核脉冲推进器尚未进行过全面的原型机测试，但理论上认为其技术是可行的，并且有能力将航天器加速到足以实现星际旅行的速度。

想了解更多关于该技术及其变体的讨论，可观看我们的《核选项》和《重振猎户座计划：核航天器推进的新时代》节目。

加粗  -  核热推进器

在核热推进系统中，核反应堆的冷却方式与常规裂变反应堆类似，但核反应堆产生的热量会被直接用于加热推进剂。

尽管具体的工程设计复杂多样，但核热推进的基本原理非常简单：

1.  利用未来的推进剂冷却核反应堆；

2.  在不导致设备熔化的前提下，尽可能提高推进剂的温度。

在设计中，需要考虑  “闭环循环”  与  “开环循环”  的选择：

·  闭环循环：推进剂不直接与核反应堆堆芯接触，避免推进剂被放射性污染，但系统复杂度和成本较高；

·  开环循环：推进剂直接流经反应堆堆芯，吸收热量后从尾部喷出  ——  这种设计成本低、效率高，但喷出的推进剂具有放射性，因此不适合在有人活动的区域（如地球表面、近地轨道）使用。

无论是闭环还是开环核热推进系统，都能显著简化行星际任务  ——  尽管太空本身已充满辐射，但只需为船员提供适当的辐射屏蔽，并确保航天器在接近或离开有人居住的天体时的安全性即可。

尽管核热推进器通常被宣传为  “从未用于地球发射”，但从现实角度来看，配备闭环系统的核热推进器用于地面发射是相对安全的  ——  其危险性与常规火箭相比并无显著差异，即使发生故障，碎片坠落造成的风险也可控。因此，未来核热推进器有可能成为常见的发射载具。

目前，核热推进器更多被设想为  “二级推进系统”：

·  利用常规火箭或太空电梯等方式，将航天器送入地球高轨道的空间站；

·  在空间站上为航天器加注核热推进系统所需的燃料，然后利用核热推进器实现从地球轨道到其他天体的航行。

加粗  -  猎户座推进器

猎户座推进器是核脉冲推进器最著名的实例，其工作原理是在航天器后方引爆核弹，利用核爆炸产生的巨大推力将航天器加速到极高的速度  ——  足以实现星际旅行。

加粗  -  氧化剂

所有需要燃烧燃料的火箭都离不开氧化剂  ——  因为燃烧过程需要氧气参与。在大多数情况下，分子氧是最常用的氧化剂。

在火箭推进中，推进剂通常是燃料与氧化剂燃烧后的产物  ——  例如，大多数火箭的排气中都含有大量二氧化碳和水，这与汽车尾气的成分相似。

加粗  -  光子火箭

一款优秀火箭的关键在于拥有高排气速度  ——  从航天器尾部喷出的粒子速度越快越好。在已知的粒子中，除了假想的快子（Tachyons）外，没有任何粒子的速度能超过光子（光的粒子）——  光子以光速传播，引力波的速度也与光速相同。

光子火箭（有时也被称为  “手电筒推进器”）正是基于这一原理设计的：以光子作为推进剂，从航天器尾部喷出  ——  这些光子可以是普通可见光、激光束，也可以是微波、伽马射线甚至无线电波等不同频率的电磁辐射。

理论上，若航天器能携带大量以光子形式存在的推进剂（或能将物质转化为光子的装置，如反物质湮灭装置、黑洞蒸发装置），就能实现接近光速的飞行。

然而，当前的技术面临一个重大难题：能量密度极低。例如，现代电池的能量密度不足  100  万焦耳  /  千克（即  1  兆焦  /  千克），仅为等质量汽油或火箭燃料的  1%-2%。而  1  千克光子（或其质量能量等效物）的能量高达  900  亿兆焦  ——  这意味着，一块耗尽的电池实际上只损失了几纳克的质量，而非  1  千克。


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