物理科学探疑-划时代技术-星际飞行的几个问题
星际飞行的几个问题
志勰
简介：本文讨论了星际飞行的一些能源、动力、导航等问题
一、引言
进入2011年以来的前半个月，就发生了多国相继出现动物集体死亡事件。世界上7级以上地震发生三次，如果以时间段算，那么从2010年12月15日到2011年1月15日已经发生5次7级以上的地震。在去年转基因的有害无害问题讨论暴露出了近十年来转基因技术在自然界中的大肆扩张，人工改造过的物种已经在融入自然界，这使得自然界的演化不可预测。另一方面世界各个国家都在全力搞经济建设，基础建设在人类居住、交通方面已经在改造地貌，近几年的经济危机致使各个国家政府在逐渐推出刺激经济计划的大量基础建设。人类所生存的环境都在按人类自己的意愿而不是按地球生物的繁衍在发展。埋藏在地下的石油煤炭能源在源源不断的从地下提取出来，兑换成大气中的二氧化碳。地球变暖的趋势已经在明显的左右着地球的大气环境、地表环境。很多专家学者发出人类即将进入毁灭的趋势，霍金先生就提出了人类在二百年内毁灭的预言。从社会发展近几年的种种迹象表明，自然环境在加速恶化，近几日澳大利亚少有的洪水灾害也在考问这个趋势，这个加速或许200年都太长了。人类的水泥建筑占据了适合生命生存的地表空间，碳氧循环的失衡已经发生，并且随着人类对能源的需求在逐渐加剧。人类将何去何从呢？二百年的时间对于地球的历史、人类的历史，是多么短暂的时间。
关于外星人的科幻小说中的故事情节在地球的发展趋势中已经在现这样的趋势，自己的星球因为各种原因不能居住，而要寻找一个新的星球定居。而现在人类的科技水平离这个距离还有多远？这是一个不可预知的问题，但问题已经摆到到我们面前，我们将无法选择！
上个世纪人类涉略的区域已经扩展到整个的太阳系，而这个世纪人类涉略的区域到达临近的恒星区域，人类的足迹要布满太阳系，则是一种人类活动区域的进程。从科学的加速发展上来看，这样的时间进程也是按部就班的。我们可以回想人类发展的历史，任何一种新一代交通工具的出现，都会将人类的活动范围扩大一个范围。18世纪以前人类的活动范围限于局部的区域，20世纪则是一个全球时代。照人类科技的加速发展来看，21世纪则必然是太阳系时代了！人类社会将会进入高速时代！
星际飞行时代已经离我们越来越近了，我们的科技目前离这个目标还有多远呢？
二、星际飞行时代的能源动力
在目前人类的交通工具中（包括最新型的火箭），几乎绝大部分都是以化学能源为主。地面上的各种以机械传动的低速动力装置，飞行速度在达到音速时就已经力不从心了，这一代的动力装置我们可以归结为热机动力装置。而人类目前所使用的高速动力装置，也仍然是以化学能为主，氢气、煤油以及一些固体燃料，利用燃料燃烧时燃料废气高速向后喷出，获得的动力反冲，这种高速动力装置，最高速度也不过达到一二十千米每秒，这个速度离星际航行所需要的速度还差得太远。而且我们每发射一枚这样的火箭，就需要消耗几十吨几百吨的燃料。所以它仍然不能作为星际航行的动力燃料。当然，这不是说不能进行星际航行，比如“先驱者”10号和11号、“旅行者”1号和2号，就可能飞出太阳系。如果以这个速度飞到离太阳最近的恒星比邻星（半人马座α星C），距离4.22光年，那人类等待的时间将极为漫长，飞出太阳系还用了几十年呢！很显然，地球上的人类目前所拥有的成熟的能源动力技术，都不具有星际飞行的能力。
那么不成熟的技术呢！目前还看不出这样的希望。排在第一位的当属太阳帆。利用太阳光的光压来逐渐加速推动飞船，而且加速的区域仅限于太阳系。理论上太阳帆的最高速度可以达到6000km/s。但实际上是行不通的。原因不用说大家都知道，太阳帆展开的面积大，这意味着它会受到太阳系间大量尘埃物质的冲击，太阳抛射的物质粒子会将它打成筛子。远没有理论中所计算的那样，即便达到100km/s的速度，也早已毁坏的差不多了。即便冲出了太阳系，那么那个时候就会失去能源动力，将无法控制了。
那么就真的没有可供人类星际航行的能源动力了么？当然不是，虽然星际航行需要携带大量的燃料，但是我们可以通过燃料的有效利用来缩减燃料的量。普通的化学燃料反冲的相对速度可以达到几千米每秒，如果我们通过提高这个反冲的相对速度，那么这就大大的提高了燃料的有效利用。如果我们可以提高到几万千米每秒，那么我们所携带的燃料就可以缩减到万分之一。我们知道能达到这个速度的，就是核能了！发射一枚火箭所需要的上百吨化学燃料，如果采用核能达到同样的效果的话，那么仅需要10公斤就可以了。而采用这一能源动力关键是可控核聚变的进度！
美国的国家点火装置在可控核聚变实验中有10万亿中子从靶室中涌出，科学家认为燃料球中的较重氢(氚和氘)已成功实现聚变。我写了一篇激光惯性约束不能实现可控核聚变的的文章（有兴趣的可参见光电效应和康普顿效应对光的粒子性以及对激光打靶可控核聚变惯性约束方案的否定），从说明原理上仅利用重氢是不能采用激光来实现聚变的。自然也就不能获得地球上清洁的能源了。但是对于非重氢，对于需求的不是清洁能源，而是我们仅仅需要的是产生动力，那么就另当别论了。
我们完全可以通过激光点燃重核产生裂变，从而再点燃重氢。可控核聚变实验中有10万亿中子从靶室中涌出，说明重氢产生了裂变，分离出核子。如果靶室激光照射的不是重氢，而是较重的核，这些较重的核在X射线的作用下能分裂的话，那么必将产生足够的能量来点燃重氢，进而实现可控核聚变，这个有点像氢弹的味道，通过原子弹来引爆氢弹。只不过这个核反应量非常的微小，是可控核。
如果我们以此为星际航行的动力，那么我们所携带的燃料仅相当于化学燃料的万分之一，甚至更少。这个更少就在于我们通过可控核反应，所能获得的反冲物质的速度，假设我们所获得的反冲物质的速度可以达到几十万千米每秒，那么，我们所需要携带的燃料则仅相当于化学燃料的十万分之一了。这种动力相当于发动机不断的产生核爆来推动飞船加速。
在加工技术、集成化技术日新月异的今天，相信核动力时代的星际飞行将很快来临。
三、星际飞行面临的技术问题
1、障碍物
星际飞行最显著的特征就是高速。象普通的飞机在驾驶员的驾驶下随意的改变方向来绕过障碍物飞行已经变得不可能，因为速度太快了。要进行星际飞行，飞船的速度要接近光速，那么飞行的时间也要论年来计算，那么可想而知速度对于星际飞行是多么的重要！如果驾驶以接近光速飞行的飞船，绕过障碍物就根本没有这个时间。三十万公里一秒就能到达，你怎么绕过呢？可能连发现都没发现呢，就已经给撞上了。可见再高超的飞行技术都无济于事。
星际飞行中绕过障碍物的可能性等于零。因此，星际飞行不需要高超的驾驶技术。仅需要设计好的路线、设计好的飞行时间和飞船的维修技术。
2、星际尘埃
另一种和障碍物的危害程度不相上下的就是星际尘埃了，飞船在空间中的飞行速度接近光速，飞船和星际尘埃的相对速度当然也是光速了。那么在这种相对速度下，任何一种粒子碰上飞船都相当于一粒粒的核子弹，它会直接和构成飞船的物质产生核反应。使飞船的材料发生改变，比如我们采用22号的钛元素来制造飞船壳，星际物质氢原子和它碰撞，就有一定几率使钛原子变成23号的钒原子。如果是大量的多个原子的原子团的尘埃物质，如物质团，那么就更厉害了，就可能直接产生核反应。直接将飞船烧毁，这个烧毁和地球大气层中的火箭残骸烧毁是不同的，这个烧毁连元素都变了，就变成别的物质甚至气团了。
那么很自然的就会出现下面的问题
3、星际飞行的速度问题
星际飞行的速度决定着星际飞行能否安全进行，我们知道宇宙空间存在着星际物质，这些星际物质有的地方密度大，如恒星、行星所环绕的区域，即便在真空的地方，也总会存在这些星际物质，只是密度大小的问题。星际飞船每秒扫过30万公里距离的空间区域，微量的密度也是很大的物质量。如果这些物质和飞船发生核反应，那么飞船的星际飞行将变得不可能。
我们除了采用定期替换星际飞船前方的物质部件之外，另一种方法就是降低飞船的速度，使飞船的速度控制在和星际物质发生核反应范围以下，在星球较高密度星际物质的区域范围内，这很重要。有的朋友一定会有这样的疑问，飞船控制在多大的速度才能不和星际物之发生反应呢？这个问题惯性约束可控核聚变会给一个满意的答复。感觉飞船的速度上2万公里每秒都很难。这主要依赖于星际物质的种类，比如星际物质氢、氦和氧密度主分布区域，飞船的速度都是不同的。
如果飞船飞行在低密度区域，空间的星际物质是微量的，在飞船允许损坏的范围，那么我们只要通过定期的更换飞船前方的部件，那么就可以维持飞船的近光速的飞行了。
那么这就出现了下面的问题
4、星际飞船飞行的路线和区域
避开高密度的星际物质区域有优点也有缺点，优点是我们可以在旅途中探测旅途附近的物质分布，可以对该附近星系进行科学研究。缺点则是会大大的延长星际飞行的时间。我们星际近光速高速飞行对物质的密度与路线的选择自然是选择空间物质密度分布稀薄的地方。
我们知道在星系形成的过程中，在引力的作用下所产生的旋转运动会使星系的物质分布形成一个圆饼体分布模式，离心力和引力的作用会使行星系旋转平面上的物质分布最大，而在旋转的轴心上下两方的区域物质分布的密度最小，星系经过几十亿年的演化之后，逐渐在旋转平面上形成不同轨道的行星。而在旋转圆饼的轴心方向的物质密度则更加稀薄。
那么我们进行星际飞行所需要的密度稀薄的区域则找到这样理想的地方，如图：
本图为原理说明图，不要当作精确的图看待。图中的圆圈是各个行星轨道，中心的白色圆球是恒星。阴影部分则是密度较大的物质分布区域。平行于行星旋转轨道平面的蓝色线，就是可选择的物质密度飞行路线。如果进行星际飞行，那么我建议在图中小黑球的地方建立星际飞行中间站，作为星际飞行的坐标指挥中心。
该点具有这样的优点：
第一、恒星在自传过程中通常自身会变成一种扁球体，该点位置对太阳的视面积最大，或者换句话说，距离太阳相同的距离该点单位面积所受到的恒星辐射能量最多。
第二、沿恒星自传轴上，密度分布梯度变化最大，距离恒星相同的距离，光的路径穿过的物质越少。辐射的能量损失的最小。我们可以获取更多的能量。
第三、星际飞船的导航系统可以在该位置获取最佳的效果，由于该点和星际航道的直线上物质密度小，不论是采用电磁波还是光波，该信号传播的过程中损失的最小。也便于与捕获微弱的信号。
另一方由于该点和星际航道的直线上物质密度小，最关键的地方便于近光速高速飞行。
第四、由于是定点于恒星的自传轴上，对于整个恒星系来说，该点位置是相对不动的。采用该点导航便于导航定位。
如果我们采用某个行星作为导航站，那么星际飞行则不具有这些优点了。
当然建立这种星际导航站，是由一定难度的。由于相对于恒星静止的，必须采用一定的动力来抵抗恒星的引力。这是一个关键的技术问题。相信核动力的问题解决之后，这不是什么大问题。
建立这样的一个星际导航系统，那么我们就可以很方便的进行星际飞行了。如果导航站采用激光导航，那么我们从地球、火星或者其它的行星上先进入星际导航区域，通过星际导航系统获得星际飞行参数，向星际出发。如果从星际飞行归来，那么就可以在星际导航系统中获得本星系的行星地点参数，来进而到达目的地。
四、结束语
星际飞行目前最关键的就是所需要的能源动力系统，只要能源动力系统解决，那么可以想象，一个新时代就会来临。人类也会走出危机。如果地球人类生存环境还能存在200年，那么人类未来90年的科技发展任务就是找到星际飞行的能源动力系统，建立星际导航系统。
人类生存环境还能允许200年或许有些太乐观了，照目前的石油、煤炭开采速度加速进度，地表有利于植物系统生存的区域，被人类的经济发展所占用而导致大量的消失，陆地淡水资源在不断消亡，生物物种大量的灭绝，不少地区的沙漠化干旱化加重，破坏空气、地表系统的采矿高速发展，基因技术的泛滥，淡水系统的污染危机。200年能生存的时间太过乐观了。
如果出现大量密集的自然灾害而导致的植物大量的死亡，那么或许地球环境所允许的时间将会大大的提前。人类的危机将会真的来临。我个人认为未来40年里如果能找到星际航行的能源动力系统，那么人类持续下去应该是安全的（其中排除核战）。如果科学不能在90年里找到星际航行的能源动力系统。人类的灭绝则成为必然！
或许有些朋友会认为这样的观点太过悲观，太过杞人忧天，但我告诉你只要您多注意新闻，你就会发现不利于人类生存的环境趋势在逐渐加速。当然，需要您以全球的视角来看！环境恶化的趋势是一种指数的关系。
资本的发展是一种无节制发展模式，就如同中国的一句话，成也萧何败也萧何！
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