星际舰队

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人类航天史(2/4)

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飞出太阳系、走进另一个恒星系的计划,耗资将是巨大的,但同时也是伟大的!

走出太阳系要靠核动力

1903年,俄国物理学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发现了星际旅行中的巨大障碍,即火箭的最大速度不可能超过火箭推进器喷口喷出物质速度的两倍。今天的航天飞机在飞行过程中,燃料燃烧后从喷口喷出的速度低于每秒3英里,航天飞机的速度无法突破每秒6英里这个界限。以这样的飞行速度,宇宙飞船需要12万年才能飞抵阿尔法人马座恒星系。因此,一名宇航员要想在自己的有生之年(工作40年)飞抵目的地,飞船的速度必须是现在航天飞机飞行速度的3000倍。

可如何才能达到这么快的速度呢?弗里斯比说,利用核裂变、核聚变和反物质3种工作形式工作的核反应堆作为推进动力,就有望实现这个理想。

核裂变火箭

科学家们同核裂变打交道已有六十多年的经验。几十年前,他们利用核裂变原理制造了原子弹和可控核反应堆。

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员在乔治·查普林的领导下,设计出了概念型、可控高速粒子的“裂变碎片”反应堆。该反应堆类似于一大摞“唱片”。“唱片”主体由石墨构成,石墨上有放射性核燃料(如钚和镅)。工作时,“唱片”旋转着进入圆柱形塔,同塔中其他放射性物质接触后迅速发生可控链式裂变反应。附加在“唱片”状反应堆上的强大磁场将反应产生的裂变碎片束缚在一起,以同一方向pēn_shè而出,pēn_shè所产生的巨大的反作用力能把火箭推到极高的速度,即每秒1.8万公里,约为光速的6%。

为使火箭飞行速度达到光速的十分之一,即每秒3万公里,弗里斯比提议把两个裂变火箭叠加起来成为二级核裂变火箭。该火箭第二级将能有效地将火箭(探测飞船)推到光速的12%。这样,人类可经过46年漫长的星际旅行,进入阿尔法人马座恒星系中类似地球的行星的轨道。如果要探测离地球更远的星球,那么宇航员在有生之年根本无法完成漫长的星际旅行。即使可以采用更多级的核裂变火箭来协助飞行,他们也只能仰天长叹。

镅242并非自然界中存在的元素,它是通过用中子轰击钚而获得的放射性同位素。镅242是最理想的可作为核燃料的同位素,因为它只需达到裂变反应临界状态的铀或钚质量的1%,就能开始持续裂变。从传统的放射性燃料如铀235和钚239中不可能得到这样的裂变碎片,因为它们都需要巨大的燃料棒来吸收裂变产物。

为了大大减轻飞船的重量,使其尽可能的小,裂变火箭应该用镅242这样的、能产生可作为推进剂的高能高温裂变产物的核燃料。不过据美国

专家估算,飞向邻近恒星系的旅行需要大约200万吨镅。然而,如果改用铀或钚,那么所需燃料重量会大得更为惊人,这势必将增加探测器的体积和重量,使探测器变得十分庞大而不切实际。

核聚变火箭

弗里斯比认为,因为核聚变是将原子核结合在一起而不是将原子核分裂,所以该火箭的发动机在获取能量的方式上要比裂变发动机完美得多。聚变反应堆能够减少产生一些不必要的放射,另外聚变堆很容易获得补充燃料。这是因为在月球的表面和木星的大气中存在大量的燃料氘和氚。这意味着,采用利用核聚变火箭作为交通工具可在太阳系内的月球或木星上补充燃料,然后继续星际旅行。

但遗憾的是,科学家经过了数十载的努力,至今仍没有造出一个能正常工作的核聚变反应堆。人类已经知道如何引爆氢弹(氢弹爆炸时发生核聚变反应),但却无法掌握控制技术。美国新泽西国家球形环试验装置(n)等聚变实验平台将氘和氚原子核约束在磁场中,并加热至数百万度,当原子核发生碰撞并结合时有能量释放出来。但是,眼下这类试验所耗能量几乎是其产生能量的两倍。

不过,弗里斯比乐观地认为,聚变技术已不再遥远。一旦科学家掌握了受控核聚变,那么他们将控制反应中产生的带电粒子,并让它们从喷口pēn_shè而出。从核聚变反应堆喷出的粒子能使二级火箭的速度达到光速的12%。核聚变火箭推进的宇宙飞船同采用核裂变火箭推进的星际旅行类似,能很快地飞抵最近的恒星系,但却没有更多潜力可挖。核聚变火箭需要的燃料大约也是200万吨,不过不需要厚厚的防辐射层,这意味着利用这种动力的空间仪器体积要小得多。

反物质火箭

阿尔伯特·爱因斯坦著名的能量方程(e=2)表明:物质是能量的一种浓缩形式。裂变和聚变反应仅仅将1%的反应物质转化成了能量。然而事实上,有一种方式能使物质与能量的转化率接近100%,这就是将物质与其镜像“孪生”兄弟———反物质相结合。物理学家让接近光速的基本粒子进行猛烈碰撞后获得了少量的反物质。瑞士cern高能物理实验室的科学家不久前“捕获”到1百万个反氢原子。应该看到,反物质将是星际旅行火箭的重要燃料。然而,想要获得星际旅行火箭所需的大量反物质,也许是件不可思议的事情。但弗里斯比表示:这是一种相当直接的方式,我们已经拥有了产生反物质所需的磁场、辐射体和粒子束。

在反物质火箭中,一定量的反氢原子和等量的氢原子在燃烧

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