Alternate Forms of Space Travel (Encore)
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以下是《每日环游世界》节目的重播。每一枚发射到太空的火箭都燃烧某种燃料。这些化学燃料火箭在进行短途轨道飞行方面效果很好。然而，除此之外，它们并非太空旅行的最佳选择。有很多太空旅行的提议方法不涉及化学火箭，其中一些方法已经过测试。

在本期《每日环游世界》节目中，了解更多关于太空飞行的替代形式和太空探索的未来可能性。本期节目由Quince赞助。现在是夏季，这意味着是时候拿出夏装了。如果您想在这个夏天更新您的衣橱，我建议您查看Quince。

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火箭越大，问题就越大。因为火箭越大，需要的燃料就越多，而这些燃料需要燃料才能升空，以此类推。我在火箭方程那一期节目中谈论的大部分内容都只是关于进入轨道的。本期节目全部是关于您进入太空后如何旅行的。火箭方程和燃料的问题在您进入太空后仍然适用。而且，如果有什么不同的话，问题实际上会变得更大。

我们送往外太阳系的所有太空探测器都不是完全依靠火箭动力送过去的。它们被送往附近的行星，在那里它们利用重力被弹射出去。引力辅助之所以有效，是因为行星的排列以及它是一次单程旅行。如果我们只是试图使用化学火箭动力到达外行星，大多数探测器仍然不会到达，因为它们的飞行速度会非常慢。

化学火箭适用于短距离，例如在轨道上机动或飞往月球甚至火星，但它们并不理想。因此，在本期节目中，我想介绍一下为如何在不使用化学火箭的情况下在太空中旅行而提出的各种想法。第一种推进方式称为离子推进，或更一般地称为电力推进。

如果您还记得我关于火箭方程的那一期节目，我提到火箭的工作原理是将快速移动的热气体从后端抛出。这就像坐在一条装满石头的小船上，然后向后扔石头以使小船前进一样。这是由于牛顿运动定律，它指出每一个作用都有一个大小相等、方向相反的反作用。离子驱动器的工作原理与常规火箭发动机类似，只是没有化学反应。

离子推进器通过使用电力使推进剂（通常是氙气等惰性气体）电离，产生带正电的离子来工作。氙气是一种理想的燃料，因为它是一种非常重的气体，并且排出的气体越重，航天器获得的动量就越大。然后，这些离子被推进器内产生的电场加速，并以高速从航天器中喷射出来。

与传统的化学火箭相比，离子推进器产生的推力要小得多，而它们的高排气速度使它们效率更高，从而能够在长时间内逐渐使航天器达到高速。这使得离子推进器特别适用于长时间的太空任务，在这些任务中，它们可以缓慢但稳定地将航天器加速到高速。有几件事使离子推进器具有吸引力。

除了它们的效率之外，它们不需要氧气或任何可以燃烧的燃料。您只需要一种不需要与任何东西发生反应的单一燃料。喷射离子的电力可以由太阳能电池板产生，只要您与太阳保持合理的距离，太阳能电池板就可以无限期地产生电力。离子推进器和其他类型的电子推进器目前通常用于卫星的高度控制。

如果它们的轨道正在衰减，它们可以被送到更高的轨道。如果存在与某些东西发生碰撞的风险，它们可以自行移动。离子推进器无法提供足够的推力将物体从地球表面送入轨道，但如果您只需要轻微推动已经在太空中的物体，它们就非常棒。但是，如果您需要比轻微推动更多的东西呢？如果您想要化学火箭反应产生的能量，但又不想使用化学火箭呢？好吧，一个解决方案是核热火箭。

在之前的节目中，我谈到了“奥赖恩计划”，这是一个计划使用字面意义上的原子弹作为推进方式的计划。这是一个疯狂而可怕的想法。核热火箭根本不像那样。核火箭使用核燃料，与核反应堆内部使用的核燃料非常相似。火箭发动机将由一个核芯组成，该核芯将进行受控的核裂变反应，使其极其高温。

然后，气体将被核芯加热，这将导致它膨胀并被排出，就像在化学火箭中一样。核火箭背后的物理原理实际上非常简单。使用核燃料进行太空推进的想法实际上可以追溯到20世纪40年代。1961年，美国成立了太空核推进办公室，这是NASA和原子能委员会的联合努力。

他们研制了一种名为NERVA的核火箭发动机，其英文全称是Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application（火箭运载工具核发动机）。在1962年至1969年之间，他们对六种不同的NERVA发动机设计进行了48次测试。每种设计都能产生超过1100兆瓦的功率。在其最长的测试中，它能够以全功率运行整整一个小时。所以这不是什么空中楼阁的理论技术。

根据设计（有几种不同的设计），核推进的效率可以比化学火箭高三到五倍。NASA和国防高级研究计划局（DARPA）宣布，他们目前正在研制一种名为DRACO的核动力火箭，其英文全称是Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations（敏捷近月轨道运行演示火箭）。DRACO计划于2027年 sometime 在太空进行测试。

目前，核推进是太阳系内旅行的唯一现实选择。化学火箭需要八个月才能从地球到达火星。核火箭只需45天就能完成这次旅行。此外，它只需要携带轻型氢气，不需要氧气。虽然氢气将是最好的燃料，而且它是宇宙中最丰富的元素，但也可以使用其他气体，这些气体可以在太阳系的其他行星或卫星上采集。

目前在核推进方面的努力是迄今为止最认真的努力，甚至SpaceX等公司目前也在研究核推进。虽然核热推进可能是探索太阳系的一个良好而现实的技术，但如果我们想走得更远呢？在这里，我们必须进入更理论化的旅行形式。我刚才提到的所有系统都需要排出某种形式的燃料，但是如果您根本不需要任何燃料呢？

与其通过喷嘴排出物质，是否可以从外部推动航天器？答案是肯定的。它被称为太阳帆。它的原理是光可以施加非常微弱的压力。尽管没有质量，光子确实具有动量。这实际上让许多人感到惊讶，因为动量的定义实际上是质量乘以速度。

然而，该方程仅适用于我们日常生活中处理的牛顿水平。在光传播的相对论速度下，它确实具有动量。为了捕捉光的非常微弱的压力，您需要一个非常大的帆，其面积可能达到数平方公里。此外，帆必须非常薄且轻便。太阳帆的好处是，虽然光的压力很小，但它是恒定的。

一旦您展开太阳帆，来自太阳的压力就会不断地加速飞船，随着时间的推移，这会严重累积。2010年，日本宇宙航空研究开发机构发射并部署了“伊卡洛斯”，这是第一个真正的星际太阳帆。它的加速度只有每秒平方1毫米，这并不多，但它是恒定的。

同样，NASA和行星协会都部署了测试小型太阳帆。太阳帆通常被认为是将探测器送往附近恒星的首选方法。您展开一个大型太阳帆，将其指向比邻星（离我们太阳最近的恒星），让太阳加速它，直到它离开太阳系。理论上，它可以达到光速的十分之一百分之一。

然后，当它接近另一颗恒星时，这个过程将反向进行。来自那颗恒星的光将向相反方向推动，从而减慢太阳帆的速度。但是，如果您想走得更快呢？一个被提出的方案是用地球或月球上的强大激光器推动太阳帆。

同样，太阳帆背后的科学原理已经相当完善，并且已经进行了测试，因此这并不是科幻小说中的东西。这是一项尚未大规模部署的真实技术。即使太阳帆以千分之一光速的速度飞行，到达另一颗恒星仍然需要很长时间。那么，还有更好的可能性吗？一个想法是在旅途中收集燃料。

1960年，物理学家罗伯特·布萨德提出了星际冲压喷气机。这里的想法很简单。太空并非完美的真空。即使在星际空间中，也有一些随机的氢原子漂浮在周围。冲压喷气机的机头将是一个巨大的漏斗，当飞船飞行时，它将收集所有 stray 氢原子和气体分子。

在布萨德最初的提议中，氢气实际上会被压缩直到发生聚变，但这现在被认为是不可能的。尽管如此，这将是在漫长的星际飞行中获取燃料的一种方式。如果您收集足够的燃气，那么它可以提供巨大的加速度，即使对于核动力航天器也是如此。

我甚至不会讨论诸如聚变发动机或反物质推进之类的提议，因为这些东西目前仍然属于科幻小说的范畴。在我们开始考虑将其应用于太空飞行之前，我们必须弄清楚如何利用聚变或创造反物质。话虽如此，我在本期节目中提到的所有其他推进方法都是非常真实的技术，这些技术要么已经被部署（如离子推进器），要么已经处于测试阶段。

如果人类希望探索地球轨道以外的太阳系，那么这些新的推进方法将是必要的。《每日环游世界》的执行制片人是查尔斯·丹尼尔。副制片人是奥斯汀·奥克顿和卡梅伦·基弗。我要感谢所有在Patreon上支持节目的朋友。你们的支持使这个播客成为可能。我还想感谢所有活跃在Facebook小组和Discord服务器上的《每日环游世界》社区成员。

如果您想加入讨论，节目说明中提供了这两个链接。和往常一样，如果您留下评论或给我发送boostagram，您也可以在节目中听到它。