第165章 科幻引擎（二）
加粗 - 核聚变火炬推进器
“火炬飞船” 一词最初指的是能够将物质完全转化为能量的航天器，而核聚变火炬推进器则是一种通过将核聚变燃料（甚至可能是基础氢元素）转化为能量，并利用核聚变产生的能量加热剩余物质作为推进剂，从而实现高速飞行的推进系统。
由于核聚变需要在数百万度的高温下进行，无法在常规的燃烧室中发生，因此通常需要借助磁约束技术，并且需要大量设备将核聚变释放的辐射和热能转化为电能，再通过离子推进器或等离子体推进器等装置加速推进剂。
然而，在实际应用中，这些限制会极大地制约核聚变动力航天器的最大速度和加速能力 —— 这正是核聚变火炬推进器的设计意义所在。
核聚变火炬推进器的设计思路是：让核聚变反应在航天器尾部直接发生，使推进器本质上像一架 “火箭飞机”，而非需要复杂内部结构（以避免熔化、爆炸或被强伽马射线和中子辐射侵蚀）的反应堆或发动机。
目前，已有许多基础的理论设计方案，科幻作品中也有大量相关设定。其中，最著名的当属《太空无垠》系列中提到的爱泼斯坦推进器，它就是一种核聚变火炬推进器设计。
核聚变火炬推进器深受太空探索爱好者的青睐，因为它常被认为是最接近现实的 “近未来技术”—— 一旦实现，必将使太空旅行（包括星际旅行和地空往返）变得切实可行。不过，正如我们在其他讨论中提到的，还有一些技术复杂度更低或可并行发展的技术方案，同样有望实现星际殖民。
加粗 - 引力偶极子推进器
引力偶极子推进器是一种利用负质量的无反冲推进器，其设计采用哑铃状结构：航天器一端装有负质量球体，另一端装有正质量球体。
该推进器的工作原理基于负质量的一个推测特性：负质量会被正质量吸引，但同时会对正质量产生排斥力。因此：
· 当一个负质量粒子和一个正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，从而推动航天器不断加速。
这一概念与直径推进器类似。罗伯特・L・福沃德曾描述过一种采用这种技术的航天器设计：在航天器前端（正面）放置一个常规正质量球体，在后端（尾部）放置一个负质量球体。
理论上，这类航天器可以实现无限加速，但由于星际气体和辐射会对其前端产生阻力，其最大速度可能会限制在光速的 99.9% 左右 —— 这类航天器有时也被称为 “光行者”（Light Hugger），即能以接近光速的速度飞行的航天器。
通过翻转航天器的方向，即可实现减速。航天器的加速或减速能力取决于其推进质量与有效载荷的比例，并且它或许能够通过物理方式 “锚定” 在任何较大的天体上。
尽管初看之下，这类航天器似乎违反了能量守恒或动量守恒定律，但目前尚无定论 —— 它是否真的违反这些定律仍有待验证。
加粗 - 引力推进
引力推进是一个统称，涵盖所有通过操控人工引力、利用反重力、定向引力波、引力子束、特定类型的牵引光束，或是通过 “隔绝” 引力来实现移动的航天器推进系统。
尽管我们通常将这类技术归类为克拉克科技（详见我们的《克拉克科技：反重力》节目），但从理论上讲，引力或许能够通过除 “质量” 之外的其他方式来操控或产生。
理论上，引力推进器还能规避快速加速带来的常规问题。艾萨克・阿西莫夫的《基地边缘》（《基地》系列第四部）中就描绘了一种采用此类推进器的航天器。通常，快速加速会导致航天器内部物体因加速不同步而受损，但当航天器 “落入” 引力场时，由于引力会均匀作用于每个粒子（忽略潮汐力），无论加速强度或速度有多高，都不会出现这种损伤。
因此，具备这种特性的引力发动机能够让人员和货物安全地实现超高速加速，这对于短途太空旅行，或是能够达到极端相对论速度的星际航天器而言，都具有不可估量的价值。
加粗 - 霍尔效应推进器
霍尔效应推进器是离子推进器的一种，以埃德温・霍尔及其发现的霍尔效应命名。根据所使用的推进剂不同，它会喷射出色彩绚丽的等离子体射流，这一特征使其易于识别。
霍尔效应会在垂直于磁场的方向上产生电势差。基于这一原理，霍尔效应推进器的设计如下：
1. 构建一个圆柱形腔体，并在内部放置一个大型磁性螺线管，产生强磁场；
2. 电离后的粒子会在磁场作用下沿腔体轴线加速（与普通离子推进器类似）；
3. 磁场本身负责电离推进剂，并将电子与离子一同向后推送，确保离子喷出时呈电中性。
霍尔效应推进器在人类登月之前就已问世，此后不断改进，衍生出多种类型，其排气速度最高可达目前最先进化学火箭燃料的 10 倍。
不过，与大多数电动推进技术一样，霍尔效应推进器面临着 “高推力” 与 “高效率” 的权衡 —— 它的推力非常小。目前已制造出的功率最大的霍尔效应推进器是美国密歇根大学研发的 100 千瓦推进器，其质量为 230 千克，推力却仅为 5.4 牛。
根据牛顿第二定律（力 = 质量 × 加速度），若不考虑电源等其他设备的质量，该推进器自身的加速度仅约为 0.0022 米 / 秒 ²，比地球重力场中的自由落体加速度慢约 4500 倍。因此，霍尔效应推进器无法用于航天器的地面起飞。
然而，若能持续加速，其最终速度依然可观：
· 持续加速一天，速度可达 190 米 / 秒；
· 持续加速一个月，速度接近 6 千米 / 秒；
· 若燃料充足，持续加速一年，速度可达到 70 千米 / 秒。
相关条目：离子推进器（Ion Drive）、可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）
加粗 - 霍金辐射推进器
霍金辐射推进器利用小型黑洞产生的霍金辐射来驱动光子火箭。
根据理论，黑洞会随着时间的推移逐渐 “蒸发”，并主要以光子的形式释放能量，且质量越小的黑洞，蒸发速度越快：
· 一个质量为 1 百万吨的黑洞，蒸发时释放的功率可达 356 万亿瓦，其蒸发过程会缓慢加速，寿命约为 1474 年；
· 一个质量为 100 千吨的黑洞，释放的功率是前者的 100 倍，但寿命仅为前者的千分之一，约 1.47 年。
通常认为，霍金辐射推进器会使用质量在 100 至 1000 千吨范围内的黑洞。对于更大的航天器，不会使用单个更大质量的黑洞（因为黑洞质量越大，功率越低，尽管寿命长得多，总能量输出也更高），而是采用多个上述质量范围的黑洞。
我们在《黑洞系列》节目中探讨了将黑洞用作航天器动力源和武器的方法，包括制造黑洞的假想技术。
从已知物理定律来看，霍金辐射推进器的原理似乎是可行的，因此我们不一定将其归类为克拉克科技，但它确实处于克拉克科技的 “模糊边界”—— 尤其是在如何通过磁场将黑洞与航天器 “连接”，以及如何使黑洞主要以伽马射线的形式定向释放辐射（而非全向释放）方面，目前仍面临巨大挑战（因为我们尚无能够反射伽马射线的材料）。在缺乏伽马射线反射材料的情况下，只能先吸收伽马射线，再将其转化为更低频率的热能，然后利用现有材料反射这些热能以产生推力。
再次强调，对于霍金辐射推进器而言，“更大并非更好”—— 更大的航天器只需增加黑洞的数量即可。
此外，这并非利用黑洞作为航天器推进器或驱动航天器的唯一方法。
加粗 - 螺旋波双层推进器
螺旋波双层推进器（简称 HDLT）是等离子体推进器的一种，其工作原理是通过无线电波将推进剂分解为等离子体，从而使推进剂获得高速。
它与更广为人知的可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）概念相似，但具有以下优势：
· 无需像离子推进器那样担心电荷积累问题，因此不需要中和器；
· 没有活动部件，也没有易受侵蚀的关键组件，因此维护需求低 —— 只要有电源和推进剂，就能持续工作。
加粗 - 赫利俄斯推进器
赫利俄斯推进器是希卡德推进器的一种变体，它结合了 “恒星提升” 技术来移动恒星。
与传统希卡德推进器相比，赫利俄斯推进器的优势在于：
· 加速恒星的速度更快；
· 但缺点是恒星的最终速度更低 —— 因为它依靠加速后的等离子体作为推进剂，这一过程会导致恒星质量减少。
赫利俄斯推进器的工作原理是：通过反射镜将恒星的光导向特定方向，而非像希卡德推进器那样将光反射到单一方向，从而使恒星表面喷发出一股炽热的物质流，就像火箭的火焰一样。
这种技术非常适合移动可能发生超新星爆发的大型危险恒星 —— 它能在更短时间内使恒星达到星际速度，同时减少恒星质量，可能延长恒星的寿命。
赫利俄斯推进器的一种变体设计会利用布塞曼冲压发动机，将从恒星喷出的等离子体进行核聚变反应，以产生更大的推力，这种变体被称为卡普兰推进器。
此外，该技术还可用于提高恒星的表面温度：通过在红矮星等低温恒星的两极区域部署静态卫星反射镜，使恒星赤道区域（可能存在行星或太空栖息地）的光谱更接近太阳光谱，这种应用被称为 “恒星增强”（Star Boosting）。
加粗 - 超空间跳跃引擎
超空间引擎是一类超光速推进器的统称，其工作原理是让航天器离开当前宇宙，进入一个与我们宇宙 “全等” 的平行宇宙。在这个平行宇宙中，要么空间尺度更小，要么光速更高，从而实现更快的旅行。
举一个概念性例子：假设你想从美国西部前往东部，你可以从现实世界 “跳跃” 到一张地球地图（尺寸如普通地图册中的一页）上，在地图上从起点直接 “走” 到终点，然后再 “传送” 回现实世界 —— 这比在现实中长途跋涉要快得多。
科幻作品中著名的超空间设定包括《星球大战》《巴比伦 5 号》《黑洞表面》《战锤 40000》等。
“超空间”（Hyperspace）一词在概念上与 “亚空间”（Subspace）、“超域”（Superspace）、“域外空间”（Overspace）、“下空间”（Underspace）或 “N 空间”（N-Space）等术语大致可互换，尽管这些术语在数学上代表不同的概念。
尽管许多现代宇宙学模型允许存在各种可能的超空间或类似结构，但我们尚未观测到任何超空间的证据，也没有找到在不同宇宙间穿梭或在超空间中生存的方法。因此，超空间引擎被归类为克拉克科技。
加粗 - 惯性减小推进器
惯性减小推进器的设计基于以下假设：所有物体都具有惯性（或动量），且惯性由物体的速度和质量（具体而言是惯性质量）决定 —— 惯性质量被认为与产生或感受引力的质量（引力质量）不同。
惯性质量反映了物体抵抗外力作用（如火箭推力）的能力。例如：
· 一艘质量为 100 吨的航天器，若能在飞行过程中将其惯性质量降至 10 吨，那么它的运动状态将类似于质量为 10 吨的物体 —— 在相同动量或动能下，速度会更快，下落时加速度也会更大；
· 同时，惯性减小还能降低航天器碰撞时的破坏力，使太空交通更安全；
· 此外，通过快速恢复甚至提高航天器的实际惯性质量，还能实现快速减速 —— 这正是我们在科幻作品中常看到的航天器 “急刹车” 场景。
这类技术通常被归类为克拉克科技，且可能违反动量守恒或能量守恒定律。
此外，惯性减小技术还可能意味着我们掌握了 “惯性阻尼” 技术 —— 科幻作品中常用这一技术来解释航天器为何能快速加速或减速，而不会让船员因惯性作用被 “甩成肉泥”。
惯性减小推进器与引力推进器可被视为 “孪生技术”—— 二者都能实现类似的 “无惯性” 加速效果。
加粗 - 离子推进器
离子推进器（也称为离子推力器或离子发动机）是电动航天器推进系统的一个大类。其核心原理是：利用电源产生的电场或磁场，加速带有电荷的电离粒子（推进剂），使其从航天器尾部喷出，从而产生推力。
离子推进器的电源来源多样，包括电池、放射性同位素热电发生器（RTGs）、机载反应堆、太阳能电池板，或是通过激光、能量束等外部方式传输的能量。
这类推进器通常具有 “低推力、高效率” 的特点：
· 由于推力小，无法用于航天器的地面起飞或穿越大气层；
· 但由于效率高，能长时间持续工作（可运行数小时甚至数周），最终能将航天器加速到远高于化学火箭的速度（化学火箭通常只能运行几分钟）。
因此，离子推进器非常适合以下场景：
· 电源充足但对加速时间无严格要求的任务，如行星际航行；
· 卫星的轨道微调或轨道维持。
从理论上讲，离子推进器的排气速度没有上限 —— 因为它本质上是一种粒子加速器，而粒子加速器已能将粒子加速到接近光速（如 0.999999999988 倍光速）。但在实际应用中，其排气速度会受到推进剂类型、电源功率等因素的限制，存在一个 “最有效” 的速度范围。
加粗 - 克拉斯尼科夫管
克拉斯尼科夫管是一种用于超光速飞行的曲速推进器设计，与其他曲速推进器类似，它的实现依赖于自然界中尚未经实验证实的奇异物质，因此被归类为克拉克科技。
根据狭义相对论，以接近光速飞行的航天器会经历 “时间膨胀” 效应 —— 航天器上的时间流逝速度会远慢于外界。例如：
· 一艘以 99.5% 光速飞行的航天器，船上每度过 1 天，外界就会度过 10 天；
· 若该航天器前往 10 光年外的埃普西隆・厄里达尼恒星系统，从外界视角看，旅程耗时约 10 年，但船员在船上仅会经历 1 年。
谢尔盖・克拉斯尼科夫提出，在这类航天器飞行轨迹的 “尾迹” 中，会形成一个 “时间捷径”—— 通过这个捷径，后续航天器能在更短时间内完成相同旅程。例如：
· 第一艘航天器于 2090 年出发前往埃普西隆・厄里达尼星系，按正常时间膨胀效应，将于 2100 年抵达（外界时间）；
· 第二艘航天器可在 2099 年出发，通过第一艘航天器留下的克拉斯尼科夫管，同样在 2100 年抵达目的地。
理论上，通过持续发射航天器，可在两个恒星系统之间建立一个 “持续的超光速通道”—— 例如，每月第一天发射一艘航天器，就能形成一个稳定的超光速交通管。
然而，若在两个恒星系统之间建立双向的克拉斯尼科夫管（用于往返航行），则通常被认为会破坏因果律 —— 可能导致 “时间悖论” 等问题。
加粗 - 激光帆
激光帆与太阳帆的原理相似，都是通过反射光或其他电磁辐射，利用光子的动量推动航天器前进。但激光帆具有以下四个独特优势：
1. 强力推进：通过发射高强度的集中光子束（而非依赖微弱的太阳光），可在帆面上产生更大的推力，因此无需像太阳帆那样制造巨大的帆面就能获得相同的推进效果。
2. 远距离聚焦：通过精密的光学系统，激光束可在远离发射源的地方仍保持聚焦状态，确保能持续为激光帆提供推力。
3. 灵活的发射源：激光的发射源不必是恒星，也可以是地面或太空中的发电站、中继站（如由彗星改造而成的核聚变反应堆激光站），从而能无限延伸推进范围。
4. 能量传输：除了提供推进力，激光束还能为航天器传输能量 —— 例如，航天器上的太阳能电池板可吸收激光能量供电，或通过巨型整流天线接收微波能量。
在实际应用中，航天器可根据任务需求，结合激光帆与其他推进系统或动力装置：
· 利用激光束传输的能量加热推进剂，或电离推进剂后通过离子推进器喷出，从而在牺牲部分最终速度的前提下，获得更快的加速能力；
· 结合物质束技术，激光帆航天器还可在飞行过程中补充推进剂；
· 若目的地恒星系统中部署了激光发射装置，还能利用激光束为航天器减速（无需消耗自身燃料）。
例如，在移动彗星时，可从恒星系统内部向彗星发射激光束，彗星吸收激光能量后汽化冰层产生推进力，同时激光束的推力又会 “抵消” 部分汽化推进力，最终使彗星缓慢进入恒星系统内部区域。
加粗 - 磁太阳风帆
磁太阳风帆（也称为 “磁翼” 或简称 “磁帆”）与电动太阳风帆的原理相似，都是利用恒星喷射出的电离物质流（太阳风或恒星风）推动航天器前进。但磁太阳风帆的独特之处在于，它可利用超导体（尤其是高温超导体）来控制航天器在恒星系统内的加速、减速或机动。
此外，银河系中存在许多高速电离气体区域，磁太阳风帆可利用这些气体流在银河系内航行，甚至向银河系边缘移动。同时，在航天器以较低的星际速度飞行时，磁太阳风帆还可通过在恒星系统内 “螺旋式” 飞行，利用恒星风实现减速。
加粗 - 磁等离子体动力推进器
磁等离子体动力推进器（简称 MPDT，也称为 MPD 电弧喷射器或洛伦兹力加速器）是另一种电动推进技术，与基础离子推进器或电阻加热喷气发动机相比，其潜在速度要高得多。
MPDT 的工作原理基于洛伦兹力（或电磁力），而非单纯的静电力或磁力。它以电离气体为推进剂，氢、氖、氩、氙等气体均可使用，其中锂的性能被认为是目前已知最佳的。
与同类设计一样，MPDT 的阴极易受侵蚀，且需要消耗数百千瓦的功率才能高效运行 —— 这两个缺点使其在卫星和小型探测器上的应用价值较低。
然而，对于大型航天器和载人行星际任务，MPDT 却是一个极具吸引力的选择：
· 它能提供相对较高的推力（相较于大多数电动推进技术），不仅能实现高最终速度，还能保证可观的加速速率，不会出现 “加速过慢” 的问题。
理论上，MPDT 的排气速度可超过 100 千米 / 秒，实际测试中也能达到这一数值的一半以上 —— 这一速度足以满足行星际旅行的需求，也达到了星际旅行速度的最低门槛。
加粗 - 物质束
物质束技术是一种规避火箭方程限制的方法 —— 与激光帆类似，它通过在固定设施中加速物质，利用这些物质的动量推动航天器前进。此外，理论上物质束还能为航天器补充燃料。
举一个简单的概念性例子：一束氧气粒子束，既能为航天器提供呼吸用的氧气，又能从后方推动航天器前进。
物质束通常被设想为通过长直线粒子加速器发射的电离原子流。但这类粒子束面临一个问题：由于所有电离原子都带有相同电荷，它们会相互排斥，导致粒子束迅速扩散，难以在远距离上保持聚焦。目前，人们已提出多种解决方案来应对这一挑战。
此外，“物质束” 的概念也可扩展到实际的货物舱 —— 而非仅局限于微观粒子。例如：
· 航天器可通过自身的捕获网或减速装置捕获货物舱；
· 货物舱也可设计为在接近航天器时汽化，通过扩散的原子撞击航天器的帆面或推板，为航天器提供推力；
· 这类货物舱还可配备简单的制导和传输系统，以提高捕获精度。
无论具体实现方式及其有效性如何，在航天器加速到行星际速度（或处于行星际速度）时，物质束技术都比激光帆更实用 —— 因为物质的动量远高于光子，能提供更大的推力。
物质束与能量束（通常指光子或电磁波，主要用于传输能量，详见激光帆条目）是平行概念。
加粗 - 美杜莎推进器
美杜莎推进器是脉冲核推进器的一种变体设计。与传统猎户座推进器在航天器后方设置 “推板” 不同，美杜莎推进器在航天器前方设置了一个类似降落伞的大型帆状结构，并通过长系绳与航天器主体连接。
其工作原理如下：
1. 在帆状结构内部引爆小型核弹；
2. 核弹爆炸产生的冲击力推动帆状结构向前运动；
3. 帆状结构通过系绳拉动航天器主体前进。
这种设计与猎户座推进器的核心区别在于：将 “推板” 从航天器后方移至前方，通过 “拉动” 而非 “推动” 的方式使航天器前进。
加粗 - 微波电热推进器
无论是通过内部电源产生微波，还是通过外部微波能量束传输微波，都可以像在厨房中使用微波炉加热食物一样，在航天器内部利用微波加热物质。微波电热推进器（简称 MET）正是基于这一原理工作的。
与电弧喷射火箭类似，微波电热推进器通过微波在推进剂气体中产生等离子体。所有电热推进器的核心设计思路都是利用电能加热推进剂 —— 这里的电能既可以来自航天器内部（如反应堆、放射性同位素热电发生器、电池），也可以来自外部（如太阳能电池板、微波能量束）。
在电热推进技术中，微波电热推进器的性能通常优于电阻加热喷气发动机（比冲更高），但与电弧喷射火箭相比，性能相当或略逊一筹。
总体而言，电热推进器在电动推进系统中之所以受欢迎，主要是因为其结构简单，而非因为效率高或推力大。不过，微波电热推进器有一个显著优势：它可以使用水作为推进剂，而水在宇宙中分布极为广泛，易于获取。
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