第164章 科幻引擎（一）
第二天，李水旺再次做新视频《科幻引擎》：
多年来，在关于人类未来以及太空殖民的整体讨论中，我们已经回顾了许多航天器设计方案，有些讨论较为深入，有些只是一带而过，还有一些则出现在很久以前的节目中，如今已淹没在搜索结果里。我认为，今天我们可以在此基础上，罗列各类先进航天器推进方法。这些方法要么已处于设计阶段，要么是广为人知的理论，甚至是科幻作品中经常被严肃探讨的概念。
我还想指出，几乎所有这些想法都出自某人的智慧结晶，无论是科学家、科幻作家，还是两者共同的创作。为简洁起见，我们不会深入探讨这些推进装置及其设计者的背景和生平，即便有些装置就是以设计者的名字命名的。这意味着，像马库斯・米利斯这样的人，他提出了许多假想推进系统的拓展方案，如偏差推进器、直径推进器、分离推进器、俯仰推进器等，却未能获得应有的赞誉。我只能说，尽管本期节目篇幅已很长，但仍有诸多内容被省略。对于那些希望超越这些简短条目、深入探索相关话题的人来说，还有许多令人惊叹的科学知识、引人入胜的发展背景以及精彩的科幻作品等待他们去发掘。
阿尔库比勒推进器
阿尔库比勒曲速推进器是曲速推进器的一个著名例子，它利用假想的负质量或负能量使航天器前方的时空收缩、后方的时空膨胀。由于航天器本身并未加速，这种推进方式不仅能实现高速飞行，还能像暗能量与哈勃膨胀那样，突破光速的常规限制。
由于需要目前自然界中尚未发现的奇异物质，并且能实现超光速（FTL）飞行，该技术属于 “克拉克科技”—— 即那些先进到与魔法无异的技术。目前，我们尚无明确且科学的方法来研发这种技术，而且它与感应环推进器非常相似，二者都是通过在航天器周围制造一个时空扭曲的气泡来实现推进。
反物质消融光帆
由于反物质被认为难以制造和储存，人们一直在思考各种与其他材料协同利用反物质的方法，反物质消融光帆便是其中之一。
该技术需要少量反氢 —— 对于小型航天器而言，可能仅需几克。通过将反氢缓慢释放到一个前置的金属板或碟形装置（类似美杜莎推进器的结构）上，这个金属板或碟形装置由铀 - 238 制成，尺寸可能仅几米，从而能为相对较小的航天器提供推进力。
反物质与铀 - 238 发生反应时，会产生中子及其他次级产物，这些产物将以极高的速度离开光帆，为光帆每千克质量提供约几兆瓦的功率。这类航天器或许能够从气态巨行星等天然天体中收集所需的反物质。
反物质催化核聚变
数十年来，我们一直在探索人工核聚变技术，虽取得了不同程度的进展，但整体呈逐步改善的趋势。其中，最具前景的方法之一便是反物质催化核聚变。
利用少量反物质，我们可以催化大量核聚变燃料发生聚变反应，释放出的能量远超过所消耗的少量反物质。而且，人们认为这一过程相对简单，既可以用于驱动核聚变反应堆为离子推进器供能，也可以直接在航天器后方引爆微型核聚变炸弹，从而构成一台高效的核聚变火箭。
遗憾的是，该技术需要少量反物质，而天然反物质极为稀少，人工制造和储存反物质也极具挑战性。倘若我们能够掌握反物质的制造与储存技术，但产量不足以支撑全反物质火箭，那么反物质催化核聚变或许能让航天器后方形成一个核聚变火炬推进器，使航天器达到极高的速度，甚至可能超过光速的 10%。
反物质火箭
反物质是具有与普通物质相反属性的物质。当反物质粒子（如反质子或正电子，正电子也被称为反电子）与对应的普通物质粒子（如质子或电子）相遇时，它们通常会转化为携带这些粒子总质量能量的光子。
这种湮灭过程本身并不具有爆炸性，而且在自然界中十分常见。许多粒子在衰变过程中会释放正电子，即便在人体内也是如此，这些正电子会迅速与电子发生相互湮灭。
但当反物质达到一定数量时，其能量释放能力会让核弹相形见绌。仅 1 千克反物质与 1 千克普通物质发生湮灭，释放的能量就相当于一枚 43 兆吨当量的氢弹，堪比人类测试过的最大热核装置 ——“沙皇炸弹”，而 “沙皇炸弹” 的重量高达 2.7 万吨，反物质的能量密度由此可见一斑。
反物质的另一大优势在于，除了可能需要的磁约束装置外，无需其他复杂硬件就能实现能量释放。目前，制造和储存反物质是其应用的两大主要障碍。关于反物质制造的基本理论和技术，可观看我们的 “反物质工厂” 节目。
假设我们能够制造并储存反物质，那么将反物质与等量普通物质相结合，通过类似火箭喷管的装置利用磁场进行喷射，就能形成一种排气速度达到光速的光子火箭。
理论上，像 “瓦尔基里” 这样的反物质航天器，速度有望达到光速的 92%。在这一速度下，航天器上的船员每经历不到 10 小时，地球上就会过去一天；航天器上度过 40 年，地球上则会过去一个世纪。
因此，在已知科学理论框架下，反物质通常被认为是能量最强的火箭燃料。然而，由于反物质在自然界中极为稀有，且制造和储存难度极大，人们常常会考虑更经济的反物质利用方式，例如反物质消融光帆和反物质催化核聚变。
电弧喷射火箭
电弧喷射火箭（也称为电弧喷射推进器）是一种电动航天器推进方式，常用于小型航天器，因其结构简单、体积小巧。
电弧喷射火箭通过一对电极产生电弧（与传统电弧焊枪产生的电弧类似），电弧会使推进剂汽化并将其向后推送。电弧与推进剂随后会转化为等离子体，继续向后穿过推进器，并在阳极和阴极的作用下加速。
这是一种低推力、高效率的火箭类型 —— 在任意时刻产生的推力都非常小，但排气速度极高。氨是电弧喷射火箭中常用的推进剂，其排气速度通常为 9000 米 / 秒，是典型化学火箭的两倍多。
与同类的电阻加热喷气发动机相比，电弧喷射火箭的效率通常更高，但两者都存在耐用性和寿命方面的问题，尤其是电极易受损。无电极设计（如脉冲感应推进器）正试图解决这一问题。
偏差推进器
偏差推进器是 “克拉克科技” 发动机的一个例子，其工作原理并非扭曲时空，而是局部改变宇宙的物理常数 —— 在这种情况下，是改变航天器前后方的引力常数，使航天器本质上 “落向” 目的地。
目前，我们尚无改变物理常数的方法。而且，即便偏差推进器能够正常工作，航天器中心也可能会产生奇点。不过，这类航天器在从 A 点移动到 B 点的过程中无需消耗任何燃料，并且偏差推进器似乎能为制造发电和供能的永动机提供可能。
当然，也完全有可能，改变物理常数的技术仍然需要遵循能量和动量守恒等物理定律。
黑洞推进器
黑洞推进器是一类假想的航天器推进方法，其应用范围广泛，既可以利用天然黑洞为航天器加速和改变航向，也可以 “操控” 黑洞来移动整个恒星系统
其中最广为人知的一种设计，是利用质量在亚百万吨级的微型黑洞产生的霍金辐射来工作。其他方法还包括利用彭罗斯机制或类似原理，将物质注入黑洞（通常假设是质量超过百万吨级的微型黑洞），在物质下落过程中，其 20% 至 40% 的质量能量会以辐射形式释放出来，从而获取能量。
通过这种方式从黑洞获取能量，在技术层面上并不复杂，本质上与其他核反应过程类似，都是吸收黑洞释放出的高能光子。人们认为，可以利用磁场将这类黑洞与航天器或空间站连接起来 —— 黑洞既能产生磁场，也会与磁场相互作用。
关于黑洞在航天器中的其他用途，可观看我们的《黑洞飞船》节目，其中还探讨了将黑洞用作航天器的动力源、为光子火箭供能、驱动巨型激光推进光束（就像我们为激光帆和推进中继站设想的那样），甚至将黑洞用于 “弹弓效应”，让航天器围绕黑洞做圆周运动以达到高速等应用场景。
布塞曼冲压发动机
布塞曼冲压发动机的核心设计理念是：宇宙空间中充斥着大量电离气体粒子（其中大部分是氢），这些粒子是现成的核聚变燃料。如果能够利用磁场捕获这些粒子并将其吸入航天器，就能将其用作燃料。
之所以被称为 “冲压发动机”，是因为它与吸气式冲压发动机的工作原理有相似之处 —— 都是吸入介质（前者吸入星际气体，后者吸入空气），对其进行超高温加热后再从后方喷出。不过，在布塞曼冲压发动机中，加热气体的能量来源于气体自身的核聚变反应。
要引发这种核聚变，需要以相对论速度吸入星际气体，并将其强力压缩至航天器的 “喉部” 区域，使气体粒子在极高的速度、温度和压力下相互碰撞。
这种设计曾被认为有望为航天器提供无限的能量来源 —— 航天器在飞行过程中可以从太空中 “抓取” 燃料，就像船只在柴油海上航行一样。事实上，在一段时间内，人们曾设想利用它实现航天器的持续加速，这一理念在科幻经典小说《牵引零点》以及引力偶极子推进器、激光帆等其他推进系统的相关设想中都有体现。
然而，后续的数学计算表明，这种设计并不可行。实际上，一些观点认为，该方法消耗的能量可能比反应释放的能量还要多，最终会导致航天器减速。颇具讽刺意味的是，这一特性使得该推进器在 “免费减速” 方面颇具优势：在旅程初期，可借助激光帆和中继系统将航天器加速到一定速度；抵达目的地时，再利用布塞曼冲压发动机进行减速，同时为航天器的其他功能供能。
此外，如果航天器本身配备了正常运行的核聚变反应堆，且飞行速度不超过其常规排气速度，那么这种利用磁场捕获电离粒子的技术是完全可行的，因此也适用于那些配备常规核聚变反应堆、计划以光速的百分之几的速度飞行的巨型航天器，例如自由号深空采矿船、巡逻舰，或是需要维持轨道位置并补充燃料的巨型光束站（无论是激光能量站还是物质束站）。
另外，如果在航天器的 “喉部” 区域放置一个可补充物质的黑洞，将捕获的物质注入黑洞，那么航天器的飞行速度将取决于该系统的有效排气速度。否则，在捕获物质后，为了将其用作能量和推进剂，需要吸收物质的动量，而这所需的能量可能会超过从中获取的能量。
因此，布塞曼冲压发动机虽未达到最初的设计预期，但它的一些变体设计和替代应用仍值得关注。
加粗 - 卡普兰推进器
卡普兰推进器是马修・卡普兰于 2019 年提出的一种移动恒星的方法。该方法利用静态卫星汇聚太阳能，使恒星风以光束形式从恒星向外喷射，随后这些光束会穿过一个巨大的布塞曼冲压发动机装置，并与氧 - 14 射流共同作用，从而以远高于传统希卡德推进器的速度推动恒星。
加粗 - 化学火箭
“化学火箭” 是一个统称，涵盖所有依靠化学反应（通常是燃烧反应）运行的火箭。这类火箭最显著的特征是会产生高强度的火箭火焰，这在无数火箭发射场景中都能看到。
在化学火箭中，燃料通常与氧化剂混合燃烧，产生高温的推进剂。由于温度极高，推进剂具有很高的排气速度，能以巨大的动量从火箭喷管喷出，同时推动航天器向相反方向运动。
与压缩气体（如二氧化碳气动枪、水压玩具火箭中使用的压缩气体）或弹性装置（如传统弹弓、弓箭发射 projectile 时依靠的弹性力）等其他推进方式相比，化学火箭通常具有高得多的排气速度和比冲。
由于燃烧反应发生迅速，化学火箭能产生足够大的推力，使航天器摆脱行星引力场。而像离子推进器这样效率更高的推进系统，尽管最终能将航天器加速到更高的速度，却无法实现地面起飞或穿越大气层。
因此，化学火箭的效率在高温条件下最高，所以人们会尽可能让燃烧过程在火箭箭体和喷管所能承受的最高温度下进行。
目前已知效率最高的化学火箭燃料是分子氢与硼的混合物（氢硼燃料），但与更常用的火箭燃料（本质上是煤油）相比，其使用难度更大。
在不同的环境和工况下，其他燃料也各有优势，有些更易于操作或储存，有些则更易获取 —— 当需要从目的地获取燃料以实现返程时，燃料的易获取性就变得至关重要，例如在月球、火星或其他天体上利用当地资源生产燃料。
加粗 - 克拉克科技
克拉克科技本身并非一种推进系统，而是一个分类术语，适用于众多在假想科学或科幻作品中提出的推进方法。
这一名称源自作家阿瑟・C・克拉克的一句名言：“任何足够先进的技术，都与魔法无异”。克拉克科技指的是那些在当前已知物理定律框架下看似不可能实现的各类技术，包括负质量或其他奇异物质、超光速系统以及永动机等。
此外，克拉克科技还包括通过改变物理常数（如光速、引力大小、电磁力或强核力与弱核力）来运行的推进技术，或是以奇特方式扭曲时空的技术（例如制造一个内角和仅为 359 度的圆，或是开启通往具有不同物理属性的其他维度的通道）。
想了解更多关于这些近乎魔法的技术，可观看我们的《克拉克科技》节目。
加粗 - 直径推进器
直径推进器是一种假想的克拉克科技无反冲推进器，通常设想依靠负质量运行，但也可能借助任何能够在航天器上产生有效压力差以推动航天器前进的场或力 —— 类似大气层中的机翼利用压力差产生升力。
负质量粒子的一个特性是，它们被认为会在引力作用下排斥正质量和负质量，而正质量则会在引力作用下吸引正质量和负质量。因此：
· 两个正质量粒子会相互吸引；
· 两个负质量粒子会相互排斥；
· 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 “追逐” 的局面。
这种技术与引力偶极子推进器类似，二者都是利用引力作为推进所需的力或场。直径推进器是俯仰推进器的一个子类，可能会利用负能量来实现这种推进效果，并且与牵引光束非常相似 —— 牵引光束也可能被用于航天器推进。
加粗 - 分离推进器
分离推进器的设计理念是：可以使一个场与其产生源分离。
从概念上讲，我们可以想象这样一种场景：在一个大型引力场附近建造一艘航天器，然后 “切断” 航天器与该引力场的质量梯度联系，并将引力场的 “前端” 重新附着在航天器前方，使航天器持续 “落向” 前方。
我们也可以设想其他实现方式，例如在保留物体引力质量的同时，分离其惯性质量；或是切断静电力场或磁场与其发生器的联系；甚至可能是使物体与希格斯场分离。
毋庸置疑，这类技术属于克拉克科技。
加粗 - 电动太阳风帆
恒星表面温度高达数千度，其强大的磁场不断搅动表面物质，导致大量粒子（主要是电离氢）从恒星表面喷射而出，这些粒子的运动速度可达数百千米 / 秒，这就是太阳风（对于其他恒星则称为恒星风）。
人们可以制造一张巨大且轻薄的风帆，利用这些粒子的推力前进，就像地球上的船只借助风力航行一样。不过，由于太阳风非常稀薄，即便使用石墨烯等轻质材料制造风帆，其尺寸也需要非常巨大，实际应用中可能并不现实。
不过，我们可以采用另一种设计：使用像头发丝一样细的导电电缆或金属线，以轮辐的形式连接在航天器主体上，通过航天器主体的缓慢旋转使这些 “轮辐” 保持圆形排列。这样，仅用少量细线就能形成面积相当于数平方千米的 “风帆” 效果。
由于太阳风中的粒子大多已电离，它们能够与电场和磁场相互作用。在电动太阳风帆的设计中，正是利用电场与这些电离粒子的相互作用来推动航天器前进。
这种推进方式仅在恒星系统内部有效，因此常与其他推进系统配合使用：在恒星系统内可借助它为航天器加速或减速，从而节省燃料。
需要注意的是，尽管所有恒星都会产生恒星风，但其粒子的数量和速度差异极大 —— 最暗的红矮星与最大的超巨星之间的亮度差异超过 10 亿倍，恒星风的强度也会随之大幅变化。
此外，恒星残骸（如脉冲星）可能会产生更强的极性粒子流。星际航天器或许可以利用这些粒子流：一方面通过引力辅助获得速度和调整航向，另一方面借助粒子流的推力进一步加速。
另外，像 “恒星提升”（详见相关节目）这类技术，虽然初衷是从恒星中开采物质，但也能增强恒星风，并产生密度更高、速度更快的定向粒子流 —— 类似我们设想中用于物质束传输的粒子流。
加粗 - 电动力系绳
电动力系绳是一种在拥有强磁场的天体（如地球等许多行星）周围可使用的电动推进技术。
其原理是：将一颗带有阳极的卫星通过绝缘系绳悬挂在天体磁场中，电流在系绳系统中流动时，会与天体磁场相互作用，从而推动卫星远离天体（若系绳位于卫星下方）或使卫星减速（若系绳位于卫星上方）。
由于天体磁场的物理尺度巨大，要使电动力系绳发挥作用，系绳的长度通常需要达到数千米。
此外，这种技术还可以反向使用：通过系绳切割磁场产生电流，从而实现能量回收（即发电），而非将电能转化为推力。
电动力系绳常被视为为 “天钩” 和 “旋转发射器” 补充动量的一种方案。“天钩” 和 “旋转发射器” 在帮助航天器从大气层进入轨道的过程中会损失动量，而电动力系绳能大幅减少它们对燃料的需求（详见我们的《天钩》节目）。例如，当天钩通过提升航天器进入轨道而损失部分动量和轨道高度时，它可以在数小时内利用太阳能电池板收集阳光并转化为电能，再通过电动力系绳逐步恢复失去的动量。
由于天钩本身就需要非常长的系绳，电动力系绳技术也适用于卫星、空间站的轨道维持，或是用于将航天器弹射入深空的高轨道旋转发射器。此外，在气态巨行星、恒星以及白矮星、中子星、脉冲星、黑洞等恒星残骸周围的超强磁场环境中，也可应用这项技术。
加粗 - 电磁推进器
电磁推进器是 21 世纪初因被认为可能是一种无反冲推进器或永动机而广受关注（或引发争议）的航天器推进器，因为它似乎表现出了违反动量守恒定律的特性。
2016 年，美国国家航空航天局（NASA）的鹰工厂实验室制造并测试了一台电磁推进器，测试结果似乎证实了其所谓的 “突破物理定律” 的特性，这使得该推进器声名鹊起。然而，后续研究表明，当时观测到的现象是由测量误差导致的，且其他实验均未能复现预期结果。
由于电磁推进器被证实是一种已被证伪的技术，而非仍处于假想阶段的技术，我们不会将其归类为克拉克科技，也不再对其进行深入讨论。仅简要说明其工作原理：向磁控管供电，使微波在一个大致呈圆柱形但一端略微变窄的谐振腔内反射。理论上，微波会在较宽的一端产生较大的力，在较窄的一端产生较小的力，从而使推进器获得一个朝向窄端的净推力。
从动量守恒的角度来看，这种设计本身并无问题，但该技术声称的争议点在于：在输入相同功率的情况下，其产生的推力超过了光子火箭的理论推力上限。
加粗 - 排气速度
排气速度是火箭技术和航天器推进领域的关键术语，指的是推进剂粒子从火箭或航天器推进器尾部喷出的速度。
根据动量守恒定律，航天器获得的动量与推进剂喷出的动量大小相等、方向相反。因此，推进剂的质量乘以其排气速度，就是推进剂携带的动量，而航天器也会获得等量的反向动量。
这意味着：
· 排气速度翻倍的燃料，能使航天器的飞行速度翻倍，或者在保持相同速度的情况下消耗更少的燃料。
大多数化学火箭燃料的排气速度在几千米 / 秒（或几英里 / 秒）量级。受火箭方程限制，航天器的最大飞行速度通常很难超过其推进剂排气速度的三倍。因此，人们一直在寻找排气速度更高的推进剂，或是能从根本上规避火箭方程限制的推进器。
在热火箭设计中，高温气体中粒子的平均运动速度取决于气体的温度和粒子质量：在相同温度下，氢等轻质量粒子的运动速度远高于二氧化碳等重质量粒子。因此，对于简单的热火箭而言，轻质量粒子通常是更理想的推进剂。
然而，包括火箭喷管在内的大多数物体在数千度的高温下就会熔化，这也成为限制排气速度的一个重要因素。不过，磁约束和离子推进器等技术能规避这一问题，并且即便使用质量较大的离子，也能实现高效推进。
推进剂的排气速度除以地球重力加速度（32 英尺 / 秒 ² 或 9.8 米 / 秒 ²），可大致得到该推进剂的比冲 —— 比冲本质上反映了使用该推进剂的火箭在地球重力场中能够悬停的时间（以秒为单位）。
加粗 - 场推进
场推进是一个统称，指任何通过与外部力场相互作用来获取动量的航天器推进方式。例如：
· 电动力系绳利用行星磁场实现推进；
· 从电磁太空弹射器发射航天器，也属于场推进的范畴。
此外，场推进还包括一些更具假想性或科幻色彩的推进方式，如大多数引力推进器，或是利用真空能等假想外部场的推进系统。
加粗 - 超光速推进器
这类推进系统涵盖所有能使航天器以超光速飞行的方法，包括 tachyons（快子）、虫洞、超空间和曲速推进器等。
由于当前已知的科学理论普遍认为超光速飞行不可能实现，这类推进技术均被归类为克拉克科技。实现超光速飞行的方法通常需要奇异物质（如负质量或虚质量），并且往往会导致时间旅行和因果律破坏等问题。
加粗 - 燃料
燃料是维持航天器加速、减速，或是为船上动力系统供能（以保障船员生存和设备运行）的物质。
对于现代航天器而言，大多数燃料需要与氧化剂混合燃烧，燃烧产物作为推进剂从火箭尾部喷出，从而推动航天器前进。
不过，并非所有航天器都使用传统燃料：有些依靠核反应堆、太阳能电池板、从远处传输来的能量束（如激光），或是反物质等奇异物质供能；还有一些假想中的航天器（如无反冲推进器）甚至不需要燃料。
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