想象力磅礴的未来星际飞船

英国著名物理学家霍金日前宣布将致力于用地面激光远距离持续作用于航天器的帆板上，使其加速至光速的五分之一，在飞行20年后抵达4光年以外的半人马星座。姑且不论如此设想到底有多少科幻成分，回眸看看此前航天界研究的3种炫目推进技术，或许能悟出霍金如此畅想胜算几何。

【航天电推进小巧灵便】

航天电推进系统也叫电火箭。它不用化学燃料，而是以电能加热或电离推进剂，使其加速喷射而产生推力。

“SMART－1”号月球探测器

电推进系统的效率是目前运载火箭所用化学推进系统的10倍，具有高比冲（即消耗单位质量的推进剂所能产生的冲量）、省燃料、振动小等一系列特点。单从省燃料一点来看，电火箭完成同样任务所需的推进剂越少，就越能大幅提高航天器内的其他有效载荷，据测算最多可提高90%左右，是目前世界最先进的航天推进技术。

太阳能离子发动机

2003年9月升空的欧洲首个月球探测器“SMART－1”号，便试用了基于上述原理的太阳能离子发动机。该装置将太阳能转化为电能，再电离惰性气体原子，喷射出高速氙离子流，为探测器提供主要动力。据测算，它利用燃料的效率比普通化学燃料发动机高10倍，在当时创造了连续正常运转2000小时的世界纪录。而去年造访谷神星的美国“黎明”号小行星探测器，装有3台氙离子发动机，可使带电氙离子以14万公里的时速向后喷射，提供强大动力。

【核能电火箭呼之欲出】

把航天核电源用于电推力器，便有望制成核能电火箭。与目前所用的太阳能电推进系统相比，采用更加稳定充足的核电源，可大大提高航天电推力器的比冲和推力。

核能电火箭由核反应堆系统、热电转换系统和电－推力转换系统组成。它利用核反应堆运行时产生的热量来加热特定的媒介物质，使其吸收热量后形成高温高速的喷气射流，从而产生推力。或者通过热电转换将核反应产生的能量转换成电能，再用电能加速带电粒子，高速喷射，产生反作用推力。核能电火箭产生的比冲可达当代最好的化学火箭的几倍至几十倍，可节省大量任务时间和成本。

美国核动力飞船想象图

据测算，传统探测器从地球飞到土星的时间约为7年，改用核能电火箭后，这一旅程可缩短至3年，从地球飞抵太阳系边缘的时间有望从15年降至5年。

2009年10月，俄联邦航天局宣布，俄将研制核动力飞船，其飞船的核反应堆功率将达兆瓦级，远超上世纪冷战时期造出的千瓦级核动力卫星。该计划预计在2025年完成。

多国参与的核动力飞船想象图

2015年9月，美国航天局表示其正在资助10年内制成小型核能电火箭发动机的试验，其飞行试验将选用推力为3.4吨或7.5吨的发动机，计划中的演示验证任务将是飞越月球。

【光子火箭纸上谈兵】

也不能让霍金老爷子的设想过于孤单，光子火箭可以和他做伴儿。

在大约60年前便有欧洲科学家提出光子火箭概念。它的发动机依靠光子的定向流产生推力，其主要机构部件是光子源。为了在光子源中获得足够大的光压，需有将近5万至25万摄氏度的高温。

光子火箭结构示意图

具体来说，研究人员设想用反质子与质子作推进剂，利用反质子与质子相遇爆炸的湮灭反应，生成有巨大能量的光子及中微子束，并借用大型凹面反射镜向后方喷射来产生推力。这种湮灭反应所产生的能量密度可高达每千克10的17次方焦耳，比核裂变反应放出的能量密度高3个数量级，在理论上可拥有最高比冲。经计算，几百吨重的光子火箭作火星往返航行时，仅需几十克反质子和质子。目前科学界已开展反质子的生产、捕集和储存研究。

月球基地想象图

今年2月，美国加州大学圣巴巴拉分校物理学教授菲利普·鲁宾对媒体介绍了他的光子火箭设计方案——其推进系统用激光束施放出来的光子提供推动力，使火箭飞行速度最高达到光速的四分之一。如此将100公斤的无人航天器送到火星只需3天时间，把载人航天器送到火星只需一个月时间，而现在单程载人赴火星理论上至少需要9个月。

当然，这一想法还仅停留在理论阶段，今后30年内不会研究出什么眉目。

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