Astronomy 版 (精华区)

发信人: wxl (小亮), 信区: Astronomy
标  题: 星际旅行的发动机(6)
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Apr  8 13:18:05 2005), 转信

　　利用光帆的优势明显，但缺点更明显，飞船太缺乏机动性了。运送探测器还可以，但是运人的话，大概没几个人有这么好的耐心。用激光的话，速度上去了，但飞船同样缺乏自主能力。能不能既利用光的力量来产生速度，又保持机动能力呢？

　　当然，我们很容易就想到，干脆把光源安到飞船上算了，让它变成一个发动机带动飞船。这个主意，实际上在光帆的概念被提出之前就有人想到了。他就是德国的火箭科学家桑格尔(Eugen S?nger)，他在1953年设计出了如下的光子火箭：


桑格尔的光子火箭 
 


　　桑格尔认为由光子发动机推动的宇宙飞船由三部分组成。最后面的是动力部分，主要部件是巨大的凹面反射镜，面积可达几十平方千米。在凹面反射镜的焦点处有光子发射器，它产生的光子由凹面反射镜反射，并形成向后喷射的光子流，推动飞船高速飞行，这就是光子火箭发动机。中间是燃料储存箱。最前面的是宇航员工作和生活的密封座舱。


光子火箭 
 


　　一切听起来很好，但是需要多少光子？从光帆的经验我们就知道，那需要极多的光子以产生能被人注意到的加速度。如果想用光子发动机来从地面直接起飞，那么光子发动机必须为每一公斤的飞船重量提供30亿瓦能量的光。如果我们把荷兰全国消耗的全部能量都提供给光子发动机，那么我们可以把30公斤的东西送上天，当然，这30公斤的东西还必须包括光子发动机本身。如果我们想利用太阳能来获得这些能量，那么我们要提供500平方公里的太阳能电池板，不过这又要大大增加飞船的重量。

　　看来，我们需要一个高性能的能量来源，桑格尔自己是怎么想的？国内介绍光子火箭的科普作品不少，随便找一篇来看看，比如国内的《科学画报》2004年第3期上《光子火箭》一文如此讲述：

　　……光子从哪里来呢？我们知道，物质是由原子构成的，原子是由质子、中子组成的原子核和外围电子构成的。质子、中子和电子都有它对应的反质子、反中子、反电子等反粒子存在。正粒子组成正物质，就是我们日常接触的各种物质。各种反粒子组成反物质。而正电子与反电子一旦相遇，就会湮灭，放出光子，同时释放出大量的能量。光子火箭就是利用正电子和反电子的湮灭来产生光子。
　　根据相对论能量定律，即质量和能量不仅相联系而且不可分割，质量可以全部转化为能量。当正反电子相互湮灭时会产生光子，并以接近光速的速度前进，从而产生推力。

　　原来是使用反物质啊。但是，等等！正反电子相互湮灭时会产生光子吗？显然不会是可见光，它只会产生高能γ射线，这是一种比X光穿透力更强的射线，反光镜根本不会对它产生作用，γ射线会毫不费力地穿透它，从而一点推力都不提供。看来我们的科普作家们有些不负责任，国外介绍光子发动机时基本都不会忘记提到桑格尔利用反物质的想法不可行，我们的科普作家们却居然把反物质产生强光当真了，我在网上查到的资料全众口一词说要用物质和反物质来制造强光。虽说γ射线的确是高频的光子，但我相信他们讲到光子的时候想的是可见光。


电磁波的波段及对应的形态 
 


　　桑格尔毕竟是最优秀的早期太空飞行理论家之一，他不久就认识到自己的错误，而没有象中国科普作家们这样继续向全中国人传授错误观念。他从理论上指出用电子气(electron gas)可以反射γ射线，但问题是没人知道如何制造出来。

　　有人也提出核光子火箭的概念(nuclear photonic rocket)，用石墨和钨建造核反应堆，让反应堆产生超高温从而发光，就如同一个核灯泡一样，同样，光在反光镜上向后反射产生推力。不过这办法虽然可行，但是需要巨大的能量来产生一点点推力，加速度非常小，我们前面任何利用核能的方式都比这有效得多。这实际上已经是为了光子火箭这个概念而不顾实际了。

　　总之，光源始终是制造光子火箭的最大障碍，即使某一天真能找到解决办法，也有一些难题需要解决，其中主要是尾部的反射镜，如何能承受强大的光压？如何承受50,000-250,000K的高温？如何能100%反射？

　　不过，光子发动机这个名字不论在中文还是英文里听起来都很酷(其他语言不知道)，而且向后发射出炽烈光芒的形象也非常符合科幻效果，所以科幻小说总是很喜欢用它。再就是我们中国的科普读物，总是一本正经的告诉我们光子火箭可以达到接近光速的效果，理由是后面喷射的是以光速行进的光子(又是一个一看就没道理的推论)。

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