星际旅行(天文学名词) - 知青百科zhiqingwang.shzq.org

星际旅行

天文学名词

星际旅行是一个用来指在宇宙中自然天体之间进行无人或载人太空旅行的名词。其狭义上通常指恒星际旅行，广义上也包括行星际旅行和星系际旅行。现时，行星际旅行已经能够实现，而恒星际旅行与星系际旅行则是因其本身空间距离过于遥远，又受制于人类当前的中国航天科工集团有限公司水平而难以实现。

基本概况

它描述了一个乐观的未来世界，在那时人类已经战胜了地球上的疾病、种族、贫穷、偏执与战争。主角们探索银河系，寻找新世界并且与新的文明相遇，同时也帮助散播和平与理解。《星际旅行》是科幻娱乐界史上最受欢迎的名字之一，也是电视史上最受欢迎的系列电视系列剧之一。

可行性分析

如果我们能够向整个宇宙扩张，为什么要担心地球上有太多的人？早期欧洲通过将其过剩人口运往新大陆而解决了它的人口问题，为什么我们不能继续这一进程？我们的太空计划已经指出了道路。”这种可能性时常在公众集会上提出，1958年，美国NASA（国家航空航天局）成立后4年，其国会监护人即科学和宇航委员会支持也将太空移民作为“人口爆炸”问题最终的解决办法。

适宜居住的行星有几个？这些星球对于我们这些地球人来说真的是可居住的吗？20世纪初，曾有人认为火星和金星是人类生活的可能之地。但美国航空航天局成立后不久发现，环绕太阳的其他行星都不适合我们这种生命生存已是无可辩驳的事实。我们知道，一个在金星表面的人将不得不在足以将铅融化的温度下生活，他呼吸的是二氧化碳含量为96%的空气，在相当于我们的洋面1/2英里以下水压的大气压下劳作。（据推测，金星已经遭受了毁灭性的“温室效应”。）至于火星，这个科幻小说中的常客，在这颗红色的行星上生活就像住在两倍于珠穆朗玛峰的高度上。火星的空气中仅含有极少量的水分，其大气压力只是地球海平面大气压的1%；无论白天还是夜晚，温度都在华氏0度以下。因此，当谈起天体间的移民时，其实我们考虑的只是恒星间的迁移，移向太阳以外的其他恒星——假设它们有自己的行星。进一步的假设是，在这些假想的行星中，有几个也许像地球一样适宜于生命。

科学数据

距离:

除太阳以外最近的恒星是半人马座的α星，距离为4.3光年。（“光年”是一种长度单位，而不是时间单位，它是指光在一年中所移动的距离。）从地球到南门二的距离是25万亿英里。

运输时间:

为了逃离地球，载人飞船的速度必须超过每小时25000英里。以25000英里/小时的速度，这艘宇宙飞船要用10亿小时才能到达半人马座α星——运输时间合计达114000年。设计出一种能够成功地自我维持10多万年的自给自足的人类移民队，这种想法是令人可怕的。还需要更快的速度。

即使是光速，到半人马座α星的旅行也要用4年时间，但是我们有充分的物理学理由认为不可能接近这一速度。塞巴斯·蒂安冯·赫尔纳认为光速的3%是我们所能期望得到的最大速度，也就是2200万英里/小时。以这一速度，从地球到南门二要花费140年。旅行需要5代人的时间。也许有人会认为，未来技术的进步能缩短运输时间；但另一方面，如果半人马座α星没有假想中的适于人类生活的行星呢？在这种情况下，我们的五月花号宇宙飞船将不得不再次“起航”，也许再过5代，它的乘客才有望找到新的地球落脚。

能量:

不要以为五月花号宇宙飞船能够像地球一样，通过平常的农业就能够自给自足。阳光只能使飞船上的绿色植物在旅行之初的个把月里生长。远在飞船飞到海王星之前，阳光就不足以进行光合作用了，而人人都知道遥远的恒星是多么的暗淡。在黑暗中，植物要吸入氧气，就像动物时时刻刻所为。所以在远未接近海王星之前，植物就会同人类争夺氧气了。既然南门二是最近的恒星，这就意味着140年旅行的绝大部分时间里将只有星光相伴。毫无疑问，这非常浪漫，但并不非常有营养。需要用飞船上的能源来再生氧气。从什么渠道能使移民队成员获得5代人在黑暗中生活所需要的能源呢？

弗里曼·戴森建议旅行者可以在飞船尾部一个接一个地投下氢弹，利用飞船和爆炸之间的屏障捕获10%的能量。（显然在我们的飞船出发之前，需要解决不少工程上的细节！）移动的移民队需要一种安全的存储和使用能源140年的方法。

成本:

我们的祖先用于支付驶向美洲的历史性的五月花号旅行的积蓄和捐赠，可以表示为用于积累必须资本所需要努力的人年数。戴森认为，在五月花号将清教徒前辈移民带到北美的旅程中，需要一个人用7.5年的劳动来支付一个家庭的旅费。对于19世纪耶稣基督后期圣徒教会徒从伊利诺伊州到犹他州的历史性旅行，他计算的费用是每个家庭需要花2.5个人的年收入。对于一个设计最为周到的太空移民队计划，他估计每个家庭的费用是1500人/年。如果我们假设每个家庭有四口人，则意味着每个人要用375年的劳动收入来支付太空旅行。

当我们以工作的人年数这一基本术语表示旅行费用时，显然，几乎没有哪位旅客能付得起他的旅费。一个人一生工作50年（从15岁到65岁），结果只是50个人年的工作，并且在其生活的进程中消费了这一数目的大部分。说出他能积累多少并非易事，但肯定不多。因此，载人飞船上每一位假想的移民都必须得到留在地球上的一大群人的资助。这一科学事实显然呼唤着政治制度的某种慷慨。

虽然与工作的人年数相比，美元不是基础的尺度，但是粗略地以美元表示旅费我们也会有所收获。考虑一艘核潜艇的情况。这是一部精心制作的机器装置，但显然不如一艘能够进行140年星际旅行的宇宙飞船那么复杂。一艘典型的核潜艇耗资10亿美元，承载140名水手。每个水手的登艇费用是700万美元（我们还忽略了数目可观的运行费用）。如果每一名水手都必须购买其在潜水艇上的位置（就如19世纪的英国绅士不得不在官方机构购买他们的资格一样），一个普通人在老到无法上船之前能赚够一笔支付登艇费的钱吗？一个普通人能够从一份普通工作中一年省下10 000美元，这已是很难得的了。以这一乐观的储蓄率，他需要700年才能积累起所需要的登艇费。

100年内能实现

星际旅行似乎是不可能实现的场景，但是一些天体物理学家们却不这么认为，来自悉尼大学的教授杰伦特-路易斯认为未来100年我们会实现空间飞行速度上的突破，星际旅行会成为可能，同时他描述了宇宙飞船利用时空的扭曲进行星际旅行的想法，指出目前星际旅行之所以没有突破，是因为我们还没有发现负能量密度的适应材料。从理论上看，利用时空扭曲实现太空旅行的可能性是存在的，或许不久的将来我们会有所突破。

阿尔伯特·爱因斯坦的理论影响着人们生活的各个方面，目前该理论已经100岁了，这是一个伟大的理论，描述了时空扭曲的客观现实，但我们只触及该理论的表面。杰伦特-路易斯教授认为在接下来的100年至数百年内，我们将揭示更多关于宇宙理论的奥秘，其中一个突破口就是星际旅行。但是科学家首先要获得合适的材料来建造这样的载人飞船，如果我们了解爱因斯坦给我们留下的方程，就可以理解时空扭曲理论还有更多的奥秘等待被发现。

在理论上看，曲速驱动是可能的，制造曲速驱动宇宙飞船的材料也存在于我们的宇宙中，但我们仍然不知道如何发现和应用它们。阿尔伯特·爱因斯坦狭义相对论在1905年指出，没有物体的运动可超过光速，但是后来的科学家发现，爱因斯坦的方程解决方案中却允许空间移动的速度超过光速，如果我们把宇宙飞船前后的时空扭曲，就能够利用时空本身的性质超光速运行。

当前的宇宙观测也发现，恒星间的距离非常遥远，如果没有星际旅行技术，我们不可能完成宇宙殖民地的建设。即便以光速前进，前往距离地球最近的恒星也需要数万年的时间，前往最近的星系更是需要200多万年。巨大的距离会阻碍我们殖民宇宙，因此需要实现速度上的突破，它的奥秘就存在于阿尔伯特·爱因斯坦的相对论中。

行星际旅行

基本介绍

行星际旅行是指在行星系内行星之间的旅行。对人类而言，此类的太空航行仅局限于太阳系内的行星之间。载人飞行的行星际航行必须拥有可靠的生命保障系统，成本非常高昂；而重量较轻的太空探测器则是现时太阳系内行星际航行的主力。

实现方式

在太阳系中，由于飞往内行星飞行器的轨道方向是朝向太阳的，所以其可以获得加速度；而飞往外行星的飞行器由于是背向太阳飞行的，故其速度会逐渐降低。

虽然内行星的轨道运行速度要比地球的快得多，但是飞往内行星的飞行器由于受到太阳引力作用而获得加速，其最终速度仍远高于目标行星的轨道运行速度。如果飞行器只是计划飞掠该内行星，就没有必要为飞行器降速。但是如果飞行器需要进入环该内行星的轨道，那么就必须通过某种机制为飞行器减速。

同样的道理，虽然外行星的轨道运行速度要低于地球，但是前往外行星的飞行器在受到太阳引力作用而逐渐减速之后，其最终速度将仍低于外行星的轨道运行速度，所以也必须通过某种机制为飞行器加速。同时，为飞行器加速还能够减少飞行所耗时间。

使用火箭助推是为飞行器加减速的重要方法之一，但火箭助推需要燃料，燃料具有重量，而即使是增加很少量的负载也必须考虑使用更大的火箭引擎将飞行器推出地球。因为火箭引擎的抬升效果不仅要考虑所增加负载的重量，也必须考虑助推这部分增加的负载质量所需的燃料的重量。故而火箭的抬升功率必须随着负载重量的增加而呈指数增加。

而使用重力助推法，则飞行器无需携带额外的燃料就可实现加减速。此外，条件适宜的情况下，大气制动也可用来实现飞行器的减速。如果可能，两种方法可以结合起来使用，以最大程度的节省燃料。

例如，在信使号计划中，科学家们即试用了重力助推法为这艘前往水星的飞行器进行减速，不过由于水星基本上不存在大气，所以无法使用大气制动来为飞行器减速。

霍曼转移轨道是一种变换航天飞机轨道的方法，途中只需两次引擎推进，相对地节省燃料。

飞往火星和金星的飞行器一般使用霍曼转移轨道法，该轨道呈椭圆形，其开始一端与地球相切，末尾一端与目标行星相切。该方法所消耗的燃料得到了尽可能的缩减，但是速度较慢。

大气制动是一种太空船使用目标星球的大气层来减速。阿波罗计划返回地球的太空船没有进入地球轨道，以弧形的垂直下降通过地球大气层来降低太空船速度，直到降落伞系统可以顺利展开。大气制动不需要的浓厚大气，大多数火星登陆器都使用该技术。

大气制动的动能转换成热量，因此航天飞机需要防热结构，以防止太空船被燃烧。

核热火箭和太阳热能火箭通常使用氢气，并加热到很高的温度，然后通过火箭喷管产生推力。

美国原子能委员会和美国航空航天局曾发展NERVA计划，论证了核热力火箭可以成为太空探索的一项可靠的工具。在1968年底，SNPO测试完成最新型号的NERVA引擎——NRX/XE后，认为NERVA可以用于载人火星任务。尽管NERVA引擎在测试后已经被认为可以胜任飞行任务，而且引擎也正准备整合入宇航器中，但在最终飞往火星的梦想实现前，被尼克松政府取消。

NERVA曾被AEC，SNPO和NASA寄予厚望，而实际上，整个项目的成就也达到甚至超过它原先的目标。NERVA最主要的任务是“为太空任务提供核动力推进系统的科技基础”。

太阳帆使用巨大的薄膜镜片，以太阳的辐射压做为航天飞机推进力。辐射压不仅非常小，而且与太阳距离的平方成反比，但不同于火箭的是，太阳帆不需要任何燃料。推进力虽然很小，但是只要太阳继续照耀着，太阳帆就能继续运作。

太阳能集热器、温度控制面板和阳光下的树荫都可以视为特殊的太阳帆，太阳帆可以帮助在轨道上的太空船调整飞行姿态或是对轨道做少量的修正而无须耗费燃料。

2010年5月21日，由日本宇宙航空研究开发机构开发的试验性太空探测器“伊卡洛斯”（IKAROS），以日本的H-IIA火箭和破晓号金星气象卫星以及其他四个小卫星一起发射。伊卡洛斯号是世界第一个成功在行星际空间运作的太阳帆。

该方式亦可以用于恒星际旅行。

电力推进系统使用外部电源，例如核反应堆或太阳能电池来发电，加速化学惰性推进剂速度，并超越化学火箭。电力推进驱动器会产生微弱的推力，并因此不适合快速机动探测或从行星的表面发射。但是电力推进可以保持数天或数周的连续发射。

空间电梯的概念最初出现在1895年，由康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出。随着近年纳米技术取得的突破性进展，建造一部现实的空间电梯已经成为可能，预计其建造成本约100亿美元，远少于国际空间站或航天飞机的投资。

离子发动机原理是先将气体电离，然后用电场力将带电的离子加速后喷出，以其反作用力推动火箭。这是已实用化的火箭技术中，最为经济的一种，因为只要调整电场强度，就可以调整推力，由于比冲（specific impulse）远大于现有的其它推进技术，因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的最终速度，而既然太空船本身不需要携带太多燃料，总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的运载火箭，节省下来的燃料更是可观。

离子发动机缺点是推力很小，目前的离子推进系统只能吹得动一张纸，无法使航天飞机脱离地表，而且即使在太空中也需要很长的时间进行加速。离子推力器目前只能应用于真空的环境中。在经过很长时间的持续推进后，将会获得比化学推进快很多的速度，这使得离子推力器被用在远距离的航行中。

恒星际旅行

基本介绍

恒星际旅行，是一个指在恒星或行星系统之间进行假想性的载人或无人太空旅行。恒星际旅行的难度是远高于行星际航行的；太阳系以内的行星间的距离不多于30个天文单位，而恒星间的距离却往往是以百上千个天文单位计，而且很多时是以光年作单位。由于恒星间相隔遥远，恒星际旅行速度需要达到光速的一个相当高的百分比，且需要很长的时间。

人类现时的航天飞机推进技术仍未能满足恒星际旅行所需的速度。即使具备假想性的能达到完美效率的推进系统，所需的动能对于当今的能量生产标准依然是巨大的。此外，航天器与宇宙尘埃和气体的碰撞可以对乘客和航天器本身造成危险的影响。

现时，人们已经提出了诸多策略来实现恒星际旅行，其中有携带整个生态系统的巨型架构，以至到微细的空间探测器等。人们又提出了许多不同的航天器推进系统，以满足航天器所需的速度，其中包括了核动力推进，射束供能推进和其他基于推测性物理学的方法。

无论是对于载人或无人星际旅行，都需要满足相当大的技术和经济挑战。即使是对于星际旅行最乐观的看法，都认为恒星际旅行只能在几十年甚至几百年后才可行。然而，尽管有挑战，如果恒星际旅行能够实现，那么将会带来极大的科学收益。

建议方式

巨大的宇航器虽然可行但推进成本现实上是不可承受的，极微观尺度的纳米级推进器可能可以用来建造光速太空船。密歇根大学的研究人员正在开发纳米粒子作为推进剂推进器，这种技术被称为“纳米粒子场提取推进器”。

理论物理学家加来道雄曾建议发射“智能尘埃”至太空，随着纳米技术的进步可能实现。加来道雄还注意到纳米探针的将需要遭遇磁场，陨石和其他危险，所以需要发射大量纳米探针，以确保至少一个可以顺利到达目的地。

世代飞船是一种星际方舟，到达目的地人类将是那些开始星际旅行的人类后裔。因为规模巨大、生物和社会学的问题，建造世代飞船尚不可行。

主词条：暂停生命

科学家已经提出各种暂停生命技术，包括人类冬眠和人体冷冻技术。这些技术提供飞船可以持续长时间星际旅行的可能性。

机器人携带冻结早期人类胚胎是另一种可能性的星际旅行。太空移民需要人造子宫，适合人类居住的类地行星，教育机器人将会把人类文明传承下去。

理论推进方式

主词条：等离子体推进发动机

等离子推进发动机（Plasma propulsion engine）的较狭义的定义是以推进剂（为等离子体）中的电流或电位来加速推进剂，即不单独用电场加速推进剂者。与其区别的离子推进器则是使用高压电网或电极来加速推进剂。

核脉冲推进使用核爆做推力的技术。最早提出的计划是DARPA的“猎户座计划”，1957年由斯塔尼斯拉夫·乌拉姆提议。以惯性约束聚变为起点的新提议有著名代达罗斯计划和远射计划（Project Longshot）。核脉冲推进器是以塑性核弹在运载器后爆炸产生极高比冲和极高推重比，此研究方向在当前没有技术瓶颈。

核聚变火箭是一种以核聚变能量作为推动力的火箭。它能够提供有效率且长程的太空推进力从而减少大量的燃料携带量。在未来更复杂的磁性限制以及防止等离子不稳的控制方法问世后，较小的轻型核聚变反应堆就有可能发明出来。惯性局限融合技术可以成为轻量化且有力的替代选择。

对于太空航行来说，核聚变推进主要的优点是它有极高的比冲量，主要的可能缺点则是反应堆庞大的质量。然而，核聚变火箭会产生比核裂变火箭更少的放射线因此可以减少防护需求。

反物质火箭将比其他任何火箭提供更高的能量密度和比冲。如果可以发明高效的反物质生产方法，并安全存储，反物质火箭理论上可能达到光速的百分之几十。反物质推进可以让航天飞机以极高速度前进，如此一来相对论导致的时间扩张将变得更明显。

生产和储存反物质应该可行。但是反物质湮灭将损失大部分能量，产生高能伽玛射线，特别是中微子。

巴萨德冲压发动机是1960年代物理学家罗伯特·巴萨德（Robert W. Bussard）所构想的一种理论航天器推进设计。这种推进器是一种核聚变冲压发动机，它利用巨大的电磁场（直径从数公里至数千公里不等）作为漏斗来收集并压缩星际物质中的氢，飞行器的高速将待反应物质强迫推入磁场中，直到压缩的程度到达足以发生核聚变。物质转变之后产生的巨大能量透过磁场导引至发动机的排气方向（其方向与预计的行进方向颠倒），并透过反作用力的原理推进飞行器加速前进，而达到星际飞行的目的。

阿库别瑞引擎是一项推敲性的时空数学模型，可以仿造出科幻小说或电影中星际旅行里的作为跨星际的超光速航行的工具。

阿库别瑞引擎遵守广义相对论中爱因斯坦方程式，在该范畴下建立出一项特别的时空度规。物理学家米给尔·阿库别瑞于1994年提出了波动方式展延空间，导致航行器前方的空间收缩而后方的空间扩张，前后所连成的轴向即为船想要航行的方向。船在一个区间内乘着波动前进，这区间称为“曲速泡”，是一段平直时空。既然船在泡泡内并不真的在移动，而是由“泡泡”带着船走，广义相对论中对于物体速度不可超过局域光速的限制就派不上用场。虽然阿库别瑞提出的度规在数学上是可行的（符合阿尔伯特·爱因斯坦的场域等式），但其计算结果可能没有物理学上的意义，也不一定表示真的能够建造这种装置。阿库别瑞引擎的假想机制暗示了负的能量密度，因此需要奇异物质才能使用。所以如果正确性质的奇异物质并不存在，则阿库别瑞引擎就不能被建造出来。然而，在当初发表的论文上，阿库别瑞接着一段物理学家分析虫洞旅行的论述之后声称，两个平行的板子之间产生的卡西米尔真空可以满足阿库别瑞引擎的负能量需求。另一个问题是虽然阿库别瑞度规没有违反广义相对论，但广义相对论并没有包含量子力学的机制。一些科学家因此认为，阿库别瑞引擎理论上允许回到过去的时间旅行，虽然广义相对论理论上也允许回到过去的时间旅行，但结合了量子力学和广义相对论的量子引力理论指出这种时间旅行是不可能的（参见时序保护猜想），因此他们否定阿库别瑞引擎的可能性。

虫洞，或称为爱因斯坦-罗森桥，是连接着时空两个区域的通道。如果将航天飞机沿着旋转黑洞的旋转轴心发射进入，理论上是可以熬过中心的重力场，并进入镜射宇宙。