第168章 科幻引擎（五）（1 / 2）

如今，我们已实现通过降落伞减缓助推器的下落速度，並保留部分燃料使其平稳著陆 ——spacex 公司就多次演示过这一技术。

然而，可重复使用火箭的实现仍面临诸多挑战：即使火箭箭体没有高速撞击地面或坠入腐蚀性海水，发射过程中的极端环境也会导致箭体出现裂纹和变形，需要进行仔细的检测和维护才能再次使用。

若能研发出更耐磨损的超级材料，將大幅降低火箭发射成本，实现火箭的快速、便捷重复使用 —— 就像现在的汽车和飞机那样。

加粗 - 火箭方程

火箭方程决定了太空飞行器的最大飞行速度，该速度取决於两个关键因素：

1. 排气速度：推进剂从火箭或太空飞行器推进器尾部喷出的速度；

2. 质量比：太空飞行器满载燃料和氧化剂时的初始质量，与燃料耗尽后仅保留太空飞行器本体和有效载荷的最终质量之比。

根据火箭方程，若要使火箭达到与排气速度大小相等、方向相反的飞行速度，所需燃料的质量需接近火箭本体与有效载荷总质量的两倍。

反之，若要达到排气速度一半的飞行速度，所需燃料和氧化剂的质量仅需约为火箭本体与有效载荷总质量的一半。

举一个具体例子：

若一艘 10 吨的太空飞行器使用排气速度为 10000 英里 / 小时的推进剂：

o 要达到 5000 英里 / 小时的速度，大约需要 6.5 吨燃料；

o 要达到 10000 英里 / 小时的速度，需要近 17 吨燃料；

o 要达到 20000 英里 / 小时（两倍排气速度）的速度，需要整整 64 吨燃料；

o 要达到 30000 英里 / 小时（三倍排气速度）的速度，则需要 201 吨燃料。

这种急剧上升的曲线，正是我们常听到 “火箭方程的暴政” 这一说法的原因 —— 它极大地限制了太空飞行器的最大速度和有效载荷能力。

大多数化学火箭燃料的排气速度在数千米 / 秒（最高约 10000 英里 / 小时）量级。要进入近地轨道（忽略上升过程中的空气阻力损失），太空飞行器的速度需达到近 8000 米 / 秒（约 177000 英里 / 小时）；前往其他行星需要更高的速度；而要实现实用的星际旅行，速度则需达到当前化学火箭速度的数十至数百倍。

儘管我们已有一些排气速度更高的推进方案，但通常需要在推力大小上做出妥协 —— 为了获得更高的最终速度和效率，往往需要牺牲推力。

因此，几乎所有关於先进推进技术的討论，本质上都是在寻找以下两种解决方案：

1. 研发排气速度更高的推进剂；

2. 规避火箭方程的限制，例如採用无反衝推进器或雷射帆等技术。

加粗 - 推力

推力是使太空飞行器產生运动的力：推力越大，太空飞行器的加速度越大；加速时间越长，最终速度越高。同时，太空飞行器的质量越大，所需的推力也越大。

在太空飞行器中，推力最常见的產生方式是：火箭火焰喷出超高温气体，气体对太空飞行器產生反作用力，推动太空飞行器前进。

高推力的优势非常明显：

没有足够的推力，太空飞行器无法脱离行星表面；

推力越大，太空飞行器达到目標速度的时间越短，旅程耗时也越短。

然而，在实际应用中，几乎所有高推力技术都存在 “低效率” 的问题 —— 能实现快速加速，但最终速度相对有限；而像离子推进器这样的低推力发动机，虽然加速缓慢，但能通过长时间持续工作达到更高的最终速度。

太空飞行器推进技术的 “圣杯”，是研发一种 “高推力、高效率” 的燃料或推进系统，例如火炬推进器或反物质火箭。

加粗 - 希卡德推进器

希卡德推进器是一种恆星发动机，其设计目的是利用恆星自身的能量来推动恆星运动。

其工作原理如下：

1. 核心结构：在恆星周围部署一组 “轨道镜” 或静態卫星（statite）；

2. 光反射：通过这些镜子或卫星將恆星发出的光反射到单一方向；

3. 动量传递：反射光產生的反作用力会缓慢推动恆星加速，使其达到光速的一个较小比例。

希卡德推进器的加速特性与恆星的质量和亮度相关：

大质量恆星：亮度与质量比更高，因此加速速度更快；

小质量恆星：能燃烧更大比例的燃料，因此最终能达到更高的速度。

但无论哪种恆星，希卡德推进器的加速过程都非常缓慢。由於加速所需的时间极长，从 “推动恆星穿越整个银河系” 到 “推动恆星在邻近几个恆星系统间移动”，所需的努力差异相对较小。

加粗 - 太阳帆

太阳帆的工作原理基於 “光子具有动量” 这一物理特性：

不透明物体吸收光子时，会获得光子的动量；

反光物体（如镜子）反射光子时，会获得两倍於光子入射动量的反衝动量（光子被反向反射，动量变化加倍）；

若光子被偏转一定角度，太阳帆和偏转后的光子会向不同方向运动，动量守恆依然成立。

利用这一原理，太阳帆可以 “藉助” 太阳光前进。

但太阳帆存在一个显著弱点：需要製造巨大且轻薄的帆面，才能反射足够的太阳光来推动相对较小的太空飞行器。即便使用超薄材料製造帆面，它仍面临诸多风险：

易受微陨石撞击；

会被太空尘埃和辐射侵蚀；

若帆面过大，还会成为航行中的潜在危险（如与其他天体碰撞）。

此外，太阳光的强度遵循 “平方反比定律”—— 距离太阳越远，光强越弱。例如，太阳帆在冥王星轨道接收到的光强，仅为其在水星轨道时的数千分之一。

为应对这些限制，人们提出了多种改进方案：

雷射帆：本质上是一种 “由雷射聚焦照射的太阳帆”，可通过人工雷射提供持续推力；

电动 / 磁太阳风帆：利用电离太阳风粒子或物质束来推动帆面，而非依赖太阳光。

此外，太阳帆还可用於维持太空飞行器的 “静止轨道” 或非常规轨道，例如静態卫星（statite）的应用。

加粗 - 比冲

比冲与排气速度是衡量火箭燃料、推进剂或太空飞行器推进系统性能的 “孪生指標”：

排气速度：衡量推进剂粒子从火箭喷管或推进器喷出的速度；

比冲（简称 isp）：衡量发动机產生推力的效率，通常定义为 “发动机在 1 倍地球重力加速度（1g）下能够持续產生推力的时间”—— 即发动机能使火箭在地球重力场中悬停（既不上升也不下降）的秒数。

大多数现代火箭燃料的比冲在数百秒量级。需要注意的是：

某些比冲较低的燃料在特定场景下可能更有用；

比冲会受环境影响（如在大气层內或太空中使用，比冲会有所不同）。

因此，我们通常会使用比冲较低的助推器来实现地面起飞 —— 这类助推器虽然效率不高，但能提供更大的推力。