如何让载人飞船实现星际旅行？

到目前为止，在太空中飞的时间最长、距离最远的人造飞行器当属美国宇航局发射的探测器“旅行者1号”，它已飞了约45个年头，现在距离地球约有238亿千米(截至2023年1月)，接近太阳系边缘。为什么这个个头不大的探测器能在太空中飞行这么多年?如果载人飞船也能飞这么长时间、这么远距离，进行星际旅行不就能成真了吗?让我们一起看一看探测器和人造卫星们飞行的秘密吧。

(资料图片)

无动力飞行的探测器

在地球上，交通器要长时间地航行，需要不断地补充推进剂(也叫燃料)，但是，放飞到宇宙中的飞行器是很难补充推进剂的。好在，在近乎真空的太空中，许多时候不需要推进器也能飞行。

人类唯一登陆过的外星球是月球，而这个登月过程与其说是驾着飞船飞过去的，不如说是“飘”过去的。1969年，阿波罗11号点火升空，三级火箭燃烧的时间大约只有十几分钟，这段时间的冲刺将飞船送到了地球引力范围的最外层。之后，飞船就关闭了推进系统，地球的引力将飞船甩了出去。因为太空的粒子很少，几乎没有什么飞行阻力，被甩出去的飞船在无动力的状态下花了3天时间“飘”到了月球的引力范围，才再次点火减速着陆。

事实上，许多太空飞行器在大部分的时间都处于这样的无动力漂浮状态，比如“旅行者1号”，它许多时候都是慢悠悠地漂浮。“旅行者1号”的主动力源是核动力电池，但是这个电池平时的功能是与地球通讯，只有在途经星体时，科学家才会启动备用的核动力电池点火转向，利用星球的引力将探测器甩出去，获得一次加速的机会。

装一台离子推进器

无动力飞行虽然能维持很长时间，但是有一个很大的缺点，就是速度非常慢。“旅行者1号”飞了45年，仍没有飞出太阳系，以这种速度想实现星际旅行，基本没可能。没关系，科学家还有一个加速的好方法。

目前为止，飞行器的加速原理基本一致，向后向下喷出推进剂，在反作用力的推动下，飞行器就向前向上飞出。因此，如果想要飞行器飞得更快更远，飞行时间更长，增加推进剂就成了第一选择。可是，推进剂重量增加得越多，飞行器就变得更大更重，反过来又需要消耗更多推进剂。小个子的探测器和卫星无法携带更多的推进剂，该怎么办呢?

科学家想出了一个绝妙的主意，用离子流给探测器提供动力。这种推进器被称为离子推进器，1959年，美国宇航局的天文学家哈罗德·考夫曼将其雏形制作了出来。离子推进器的主体不是燃烧室，而是电离室。在这里，电中性的推进剂被电离成带电的离子，同时电子也被射入电离室中。电离室周围的电磁线圈产生磁性，让带电离子朝后喷出，以对飞行器产生向前的推力。

由于产生推动作用的“气流”仅仅是离子，只需要很少量的推进剂就能产生大量离子，且能在很长时间里不断产生离子，所以使用这种推进器，只需要很少的推进剂，探测器和人造卫星就能维持很长时间的飞行。1998年，美国“深空1号”彗星探测器首次将离子推进器作为主力推进系统，整个发动机自重只有8千克，推进剂为82千克的氙，与火箭相比，整个发动系统的重量简直微不足道，但这个探测器在太空中整整飞行了20个月。

不过，离子推进器的缺点也很明显，离子流的推力实在是太小了。“深空1号”彗星探测器的推进器一整天只能喷100克燃料，推力大约只有90毫牛，与9克物品的重力相当，也就是一颗鹌鹑蛋从1米的地方砸到你头上感受到的力度。这么小的推力，也就能让小个子的探测器和人造卫星保持比无动力飞行更快一些的速度，载人飞船想用离子推进器进行星际旅行，还得继续改进推进器。

改进离子推进器

我们需要将离子推进器改造到什么程度呢?登月的过程中，如果全程都有推进器加速，假设推进器提供的加速度为一个重力加速度，飞船去到月球仅需要42小时。如果飞行器使用能持续提供一个重力加速度的离子推进器，追上“旅行者1号”只需24天!不过我们已经知道，离子推进器的推力约只有几十毫牛，远达不到一个重力加速度的要求，所以想获得更大的推力，就要改进离子推进器。

霍尔效应推进器(以下简称“霍尔推进器”)是改进版离子推进器之一。霍尔效应指的是：电流在磁场中通过时，电子或离子会横向移动，导致导体有个横向的电势差。就好像长江水流有个横向的作用力，使南岸的水位比北岸的高。这样的好处是，当电子和离子混在一起时，可以利用霍尔效应分开，做到一边电离一边加速。

为了让混在一起的电子和离子各司其职，霍尔推进器的磁场和电场的设计显然更为精巧，喷口从一面筛子变成了一个环形结构，增加了一个磁场。带电离子被第一个磁场喷出后，第二个磁场将离子约束在环形电离室附近，这些离子在电磁场的作用下再次加速，撞击后续刚刚电离出来的离子，两批离子再被电场加速射出。这样，一批离子流能对飞行器产生两波推力，推力大增。

2020年，中国自主研发的20千瓦霍尔推进器能产生1牛的推力，这就足以给100克的物体提供一个重力加速度。美国宇航局则制造出了功率为100千瓦的X3霍尔推进器，能给飞行器产生牛的推力。

给离子加热

霍尔推进器使离子的推力有了单位的跨越，但是能提供的推力还是小得可怜。为了增加推力，科学家又想到了一个新主意：给离子加热。温度的微观本质是粒子的速度，温度越高，粒子速度越快，因此如果在将离子流喷射出去前，能加热离子流，就能大大提高离子运动的速度，从而提高其推力。

按照这个思路，美国宇航局制成了“可变比冲磁等离子体火箭”(VASIMR)，在这个推进器中，离子被电场加速前，先用微波加热到100万度，变成一团高温等离子体，然后被喷射出去。再在电磁场的约束下，聚集成一束笔直的热流向后喷出，给飞行器提供更大的推力。目前已被制出的VASIMR推进器产生的推力能达到10牛以上，随着供给电能的增加，推力还能更大。

当然，飞行器的重量远不止几百克甚至上千克，其重量一般以吨作单位，载人飞船的重量只会更大，即使是VASIMR推进器，它产生的推力还是很难给载人飞船提供可观的速度。而且，离子推进器需要强劲的电能电离推进剂，如何提供更大且可持续的电能，也是一个难题。想要制造一个足以支撑星际旅行的推进器，科学家们还要继续努力。