前情回顧：

《三體》航天考(一)：太空電梯、階梯計劃

1、核聚變推進

核聚變火箭發(fā)動機

進入三體危機紀元后，為盡早造出核聚變火箭發(fā)動機，人類的可控核聚變項目設立了四個研究分支，分別按不同的研究方向進行。在現(xiàn)實中，受控核聚變的常用方式有兩種，對應這兩種方式，工程師提出了兩種核聚變火箭發(fā)動機方案，它們各有優(yōu)劣：

(1)、磁約束聚變發(fā)動機

磁約束聚變也叫做持續(xù)性聚變，是將核燃料變成數(shù)百萬度的高溫等離子體，使原子核活躍到能相互碰撞。由于等離子是帶電的，所以可以用強磁場來束縛它們，否則高溫離子體會熔化任何束縛它們的容器。

《三體2》這樣描述了磁約束聚變發(fā)動機試驗失敗的場景：

在人類太空艦隊的發(fā)展方向確定為無工質輻射推進后，大功率反應堆開始進行太空實驗。這時地面上的人們常常能看到三萬公里的高空發(fā)出炫目的光芒。這被稱作“核星”的光芒是失控的聚變堆失控產生的。核星爆發(fā)并不是聚變堆發(fā)生爆炸，只是反應器的外殼被核聚變產生的高溫燒熔了，把聚變核心暴露出來。聚變核心像一個小太陽，地球上最耐高溫的材料在它面前就像蠟一般熔化，所以只能用電磁場來約束它。(《三體2》242頁)

磁約束聚變或許是核能發(fā)電的最佳方式，但未必適用于用于太空飛行。要約束住高溫等離子體，必須安裝一個磁場發(fā)生裝置。這種裝置由永久磁鐵和電磁線圈組成，體積龐大，重量驚人。這意味著火箭發(fā)動機必須造得很大。

大劉的態(tài)度很明確：小說中，首次實現(xiàn)可控核聚變發(fā)電后，物理學家丁儀對章北海說：“我早就感覺到托卡馬克方式是一條死路，方向對了，突破肯定會產生?！?《三體2》220頁)

這里的托卡馬克方式就是磁約束聚變。

(2)、慣性約束聚變發(fā)動機

慣性約束聚變也被稱作脈沖性聚變，利用激光或者粒子束來照射核燃料球產生超高溫，生成比磁約束聚變時密度更高的離子體，從而引發(fā)聚變反應。

由于此時反應時間非常快，小燃料球自身的慣性就可以維持熱度足夠長的時間來進行反應，所以無需強磁場束縛。

在太空的真空環(huán)境中使用粒子束比在地球上具有明顯的優(yōu)勢，可以不受大氣分子的干擾。從這一點來說，此方案更為可行。

不過，采用慣性約束還需安裝激光器或粒子束發(fā)生器，并且需要給它們提供能量。航天器的尺寸、結構與功能也得在現(xiàn)有基礎上有很大提升。雖然如此，此方案很可能比磁約束聚變發(fā)動機要輕。

穩(wěn)定功率輸出的可控核聚變雖然還未實現(xiàn)，但其原理是明確的，障礙只存在與技術領域。假以時日，定能取得突破。

目前的聚變反應堆容器非常大而且重，這使得其并不好用于星際旅行，在未來如磁約束或慣性約束和等離子不穩(wěn)定性等技術問題解決后，小型的聚變反應堆有可能被設計制造出來。

在探測三體艦隊虛實的“階梯計劃”進行的同時，人類開始研究太陽系防御事宜。首當其沖的問題就是，用什么動力推進龐大的太空戰(zhàn)艦？核聚變是當時人類最有可能掌握的高密度能源，該怎樣使用核聚變能呢？

固守化學燃料火箭思路的航天界實力派主張研發(fā)工質推進飛船，以核聚變能推動有質量的工質，產生反推力推進飛船。而太空軍則力主研發(fā)不需要工質的輻射驅動飛船。

要理解二者的分歧所在，需要考察核火箭的發(fā)展歷程。

一種核聚變發(fā)動機設計圖

2、工質推進，還是無工質推進？

工質推進也許并不被看好

核能推進的設想最早是由參與曼哈頓工程的斯塔尼斯拉夫·烏拉姆(Stanis?aw Marcin Ulam)和弗雷德里克·霍夫曼(Frederic de Hoffmann)在1944年提出的。后來，美國原子能委員會與NASA聯(lián)合實施了NERVA(火箭飛行器用核發(fā)動機)項目，該項目主要研究工質推進核火箭，其原理是核反應堆內的核燃料產生熱量，推進工質流經(jīng)反應堆吸收熱量后，通過火箭噴嘴噴射出去。

NERVA采用氫氣作為工質兼冷卻劑。氫氣具有優(yōu)良的導熱性能，在高溫低壓狀態(tài)下容易離解為原子氫，并吸收大量的熱，而且氫的導熱性能可與金屬材料相媲美，是最好的冷卻介質之一，同時由于其分子量小而成為最優(yōu)良的推進工質。

1955年到1968年間，美國政府投資15億美元，在內華達州核試驗場進行了多次核火箭測試，最后制出了重200千克、推力達到100噸的核火箭發(fā)動機，可使宇航員乘坐通勤飛船在24小時內到達月球或從月球返回地球。

然而，就在功率4000兆瓦的核火箭發(fā)動機開始測試時，阿波羅登月計劃遭到了尼克松政府大幅度的預算裁減，將更多的宇航員送上月球和載人火星計劃被無限期推遲。1972年，已無用武之地的NERVA計劃被取消。

后來，航天工程師，載人火星計劃的大力鼓吹者羅伯特·祖布林(Robert Zubrin)又提出了一種核鹽水火箭的構思。這種火箭以溶解了含有钚或鈾235的鹽水作為燃料。這些含核燃料的鹽水存儲在特殊設計的容器內，通過幾何構造或中子吸收的方法來保證其不達到核反應所需的臨界質量。推力通過加熱這些放射性鹽水來產生核裂變，并通過噴嘴排出產生推力。水在這里既作為中子減速劑也被當作推進工質。

無論是用氫還是鹽水，工質核火箭都無法擺脫工質的束縛。核動力雖給飛船帶來持久的續(xù)航力，但工質的消耗卻令飛船難以遠離補給站，就像蒸汽時代的鐵路機車無法擺脫加水站一樣。

正是在這種情況下，太空軍的靈魂人物章北海激憤地如是說：

“工質推進飛船不過是個大火箭，要用超過三分之二的運載能力運載推進工質，且工質消耗很快，這種飛船只能以行星基地為依托，在太陽系內航行。這樣做，是在重復甲午戰(zhàn)爭的悲劇，太陽系就是威海衛(wèi)！”(《三體2》221頁)

無工質核動力推進

《三體2》中對“自然選擇”號的描寫令人神往。大劉設想把核聚變產生的輻射能直接導向飛船后方，用反沖作用推進飛船前進。

如果說太陽帆飛船是借助太陽的輻射飛行，那么無工質核動力推進就是把“小太陽”帶在了身上：

“自然選擇”號是亞洲艦隊第三分艦隊的旗艦，擁有最新一代的無工質聚變推進系統(tǒng)，全功率推進時，可以加速到光速的百分之十五。它的艦內生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)十分完美，能夠進行超長時間續(xù)航。(《三體2》327頁)

其實，早在四十年前，就有人提出了速度類似“自然選擇”號的無工質核聚變推進飛船構想。

1970年，美國內華達大學的弗里德瓦特·溫特伯格(Friedwardt Winterberg)提出了用高能電子束引發(fā)核聚變(即“慣性約束”)的思路。他設計的火箭發(fā)動機在每次核聚變時可釋放出約100億焦耳的能量，可實現(xiàn)每秒300公里的高速飛行。

幾年后，參與“代達羅斯計劃”的前羅爾斯-羅伊斯公司火箭工程師阿蘭·邦德率領13人的研究小組提出了核聚變火箭的構思。這種核聚變火箭內有一個磁場構筑的燃燒室，通過向燃燒室的核燃料球發(fā)射電子束，產生高溫等離子體，這些等離子體就是推力來源。

發(fā)動機工作時，每秒鐘向燃燒室發(fā)射250顆核燃料小球。在第一顆核燃料小球射入的時候，分布于燃燒室內腔的幾十個電子束發(fā)生器射出電子束，轟擊核燃料小球，氘和氦-3等核燃料發(fā)生每秒250次的核聚變反應，瞬間產生巨大的能量，推動火箭高速向前飛行。

當?shù)谝患壔鸺ぷ魍戤吅髸詣用撀洌诙壔鸺又^續(xù)工作，這兩級火箭可工作近4年的時間，能使火箭達到36000公里/秒的速度。

如果只是高速掠過目標恒星，不采取減速措施，該火箭可以在一個人的有生之年——五十年——之內，抵達距地球5.9光年的巴納德星。

《三體》中，為了確立無工質發(fā)動機的發(fā)展方向，章北海使用了極端手段：狙殺固守工質推進思路的領頭人，并偽裝成隕石襲擊

3、巴薩德沖壓發(fā)動機，吞云吐霧遨游星際

在太陽系中，光壓和太陽風無處不在，光帆飛船可以暢游無阻；在遠離太陽的航天基地附近，核燃料可以適時補充，核動力飛船的巡航半徑可以預期。要航行更遠的距離，比如從“三體行星”到地球的4光年航程，途中既沒有充足光照，也沒有燃料補給站，上面兩種推進方式就不再是合適的選擇。滿懷雄心、想要征服地球的三體艦隊究竟采用了什么辦法驅動龐大的太空船呢？

大劉直接給出了答案。地球“三體組織”領袖葉文潔被捕后接受審訊時透露：

“三體飛船推進的動力是正反物質的湮滅，飛船前方有一個巨大的磁力場，形成一個漏斗形的磁罩，用于收集太空中的反物質粒子，這種收集過程十分緩慢，經(jīng)過相當長的時間，才能得到供飛船進行一段時間加速的反物質數(shù)量，因此艦隊的加速是間斷進行的，很長時間的收集后才能進行一次?！?《三體1》245頁)

葉文潔的“供述”對于21世紀的地球保衛(wèi)者沒有多少價值，因為早在“紅岸基地”尚未立項的1960年，人類就參透了三體第一艦隊的動力之謎。那一年，在美國洛斯阿拉莫斯實驗室工作的物理學家羅伯特·巴薩德(Robert Bussard)發(fā)表了一篇名為《星際物質與星際飛行》的論文，里面構想了一種全新的航天器推進方式——飛船前方漏斗狀的收集器收集星際物質中的氫元素，氫元素可作為飛船核聚變發(fā)動機的燃料使用。飛船飛行速度越高，收集效率也越高，這就像是藍鯨張開大口過濾海洋中的浮游生物一樣。

這種航天發(fā)動機被后人命名為“巴薩德沖壓發(fā)動機”，其理論基礎是在恒星間并非完全的真空，通常都有一種稀薄的氣體彌漫其間，這就是星際物質。雖然這種物質密度極低(每立方厘米約有100個氫原子)，但聊勝于無。如果能采集無處不在的星際物質作為發(fā)動機燃料，則飛船的理論續(xù)航能力可以達到無限遠。

巴薩德沖壓發(fā)動機想象圖

工作原理和重重障礙

目前得到公認的巴薩德沖壓發(fā)動機是一種沖壓核聚變反應堆，它利用巨大的電磁場(直徑從數(shù)公里至數(shù)千公里不等)作為“漏斗”來收集并壓縮星際物質中的氫，飛船前方的漏斗吸入沿途的星際物質，極高的相對速度和磁場作用使反應物質在核反應腔中壓縮，直到溫度和密度足以發(fā)生核聚變。這樣產生的巨大能量再通過另一個磁場導引至發(fā)動機的排氣方向，并借反作用力原理推進飛船。

如果該飛船能夠保持10米/秒²的加速度(略大于地球表面的重力加速度)，不到一年時間，速度即可達到光速的77%。在《三體》中，三體第一艦隊正是使用了巴薩德沖壓發(fā)動機，才能以十分之一光速飛行。

1974年，參與“代達羅斯”核聚變火箭計劃的阿蘭·邦德(Alan Bond)提出了巴薩德沖壓發(fā)動機的改進方案“RAIR”。該方案將收集到的氫作為反應物質而不是推進工質。進入發(fā)動機的質子流被減速到一兆電子伏，然后引導質子流轟擊鋰-6或硼-11。鋰-質子聚變或硼-質子聚變不但更容易發(fā)生，而且釋放的能量高于其他種類的核聚變。聚變產生的能量被導入前方漏斗吸入的物質中，被“加熱”的物質高速噴出，驅動飛船前進。

“RAIR”另一種改型——“催化RAIR”發(fā)動機的效率更高。當進入收集器的物質流被壓縮后，人為加入一小塊反物質。與核聚變相比，這種湮滅反應的反應截面更小，所需溫度也更低。據(jù)計算，要驅動一萬噸重的飛船以1g加速度飛行，所需的反物質催化RAIR發(fā)動機直徑僅為3.5米！當然，乘這種“微型”發(fā)動機遨游宇宙，得自備足夠的反物質供催化用。

巴薩德最初的設想是用機械方式收集氫。根據(jù)他的計算，為達到理想的1G加速度，質量一千噸的飛船前方需要有面積達一萬平方公里的收集器。即便未來的材料科學取得巨大進步，這么大面積的收集器也將十分沉重——即使收集器采用10毫米厚的Mylar制作，質量也將達到二十五萬噸。

而且巴薩德假設星際物質都是離子化的，本身帶有電荷，容易被磁場捕獲。實際上，恒星間的星際物質主要是中性的原子與分子，磁場對它們毫無作用。解決方案是先用大功率激光將飛船前方的氫原子離子化。

離子化的氫失去電子成為單個質子(帶正電荷)，可以被收集器產生的磁場收集。如果采用這種電磁方式收集，那么收集器甚至不必做成純固體形態(tài)(可以是網(wǎng)狀的)，收集器的實體面積也可以大大縮小，只要保證磁場范圍很大就可以了。

即便如此，依然存在困難。生成激光和磁場都需要巨大能量，這個能量得事先預備。

磁漏斗也不像聽起來那么簡單。因為磁力線匯聚于漏斗進口處，它們會把進來的帶電粒子彈開，而不是將其拽入漏斗。結果就是，磁收集器就像一個磁瓶，收集了飛船前方圓錐區(qū)域的粒子，卻阻礙其進入反應堆。解決方案之一是制造脈動磁場，模擬“張嘴”和“吞咽”的過程，但操作起來并不容易。

還有個問題是，大部分收集進來的都是氫離子，它不像氘和氚那么容易發(fā)生核聚變。

最后，巴薩德發(fā)動機只能在飛船達到一定速度時使用，只有做高速飛行時，收集器才能收集足夠多的燃料供沖壓發(fā)動機啟動。因此，需預先啟動一個助推發(fā)動機使飛船達到巴薩德發(fā)動機點火的臨界速度——約為光速的6%——然后更具效率的沖壓發(fā)動機才能正常運轉。

星際間的塵埃顆粒對高速飛行的飛船船體是一個巨大威脅，除此之外，星際物質中的帶電粒子也會給船員的健康和電子設備帶來致命的損傷。具體來說，以光速30%運動的一千克物體蘊含的動能相當于百萬噸TNT炸藥的能量；以亞光速飛行的飛船，撞上靜止的塵埃顆粒也會因巨大的相對速度而被擊毀，而沒能被磁漏斗阻擋的帶電粒子則會形成高能粒子雨，損傷船員的DNA和精密電子設備。

正是由于這個原因，三體第一艦隊在穿越星際塵埃云時才會露出頹勢：

“隊形變得稀稀拉拉，潰不成軍，有一大半戰(zhàn)艦早就停止了加速，穿過塵埃時又減速了不少?！?《三體2》p280)

——這些艦只都在塵埃顆粒及高能粒子雨點般的轟擊下垮掉了。

科幻中的巴薩德沖壓發(fā)動機

盡管巴薩德沖壓發(fā)動機面臨諸多現(xiàn)實困難，但因其完全使用已知技術就可以達到亞光速，所以深得硬科幻作家的喜愛?？苹妹詮V為知曉“巴薩德沖壓發(fā)動機”這個概念要拜美國科幻大師拉里·尼文所賜，他在系列科幻小說《已知宇宙》中使用了這種發(fā)動機。

在尼文筆下的文明世界，星際殖民的早期階段派出了裝備巴薩德沖壓發(fā)動機的自動探測器，隨著時間的推移，富人們也可以采購這種發(fā)動機，舉家搬離擁擠的地球。在他的另一部名著《環(huán)形世界》中，尼文則使用這種發(fā)動機做航程推進和位置維持用。

在《星際迷航》系列影片中，一種名為“巴薩德氫收集器”的裝置作為“正反物質推進系統(tǒng)”的一部分出現(xiàn)在星艦上，它可以使星艦加速到超光速。這種收集器裝在曲速引擎的前方，當星艦中儲存的氘減少時，收集器就會采集星際物質中的氫，并將其轉化為氘和反氘，供曲速引擎使用。在影片中，巴薩德氫收集器的低收集率和星際物質拖曳問題都因為超光速飛行迎刃而解。

關于巴薩德沖壓發(fā)動機最瑰麗的幻想，則來自于波爾·安德森(Poul William Anderson)的小說《宇宙過河卒》(Tau Zero)。在這部作品中，安德森講到?jīng)_壓飛船“利奧諾拉-克里斯廷”號遭遇星際塵埃云后失去減速裝置，進入了無法停止的無休止加速狀態(tài)。在逐漸趨近光速的航程里，由于相對論的時間膨脹效應，船員們發(fā)現(xiàn)他們已經(jīng)飛入了“未來”，并親眼見證了宇宙的瓦解和消亡。

這個小說的影響力非常之大，以至于美國國家航空航天局“突破推進物理項目”主管馬克·米利斯(Marc Millis)離開航天局創(chuàng)立了一個組織“τ0基金會”專門研究超光速飛行。

4、高速星際航行的防護措施

對于長期星際飛行來說，速度不是唯一需要解決的問題。由于代達羅斯在旅途中不能與地球進行實時通訊，其本身必須擁有足夠的應變能力才能保證順利走完全程。其中一個最致命的問題是星際塵埃的轟擊。雖然塵埃的密度并不高，顆粒也很小，但是在0.12倍光速下，這一影響不可忽略。

在《三體》中，三體艦隊穿越星際塵埃時，飛船數(shù)量減少了，有的飛船掉隊了，這就是星際塵埃的阻滯力量?！按_羅斯”的解決方案是在飛船前方設置50噸重、7毫米厚的鈹質防護罩，并可以通過攜帶的大量“塵埃蟲”微型機器人在母船前方200公里處生成高速運行的粒子防護云，以“自我犧牲”的方式掃除前進道路上的障礙。如果有個別“漏網(wǎng)之魚”撞到了飛船，還可以利用小型遙控機械裝置“看守”在途中隨時修復。這樣一來，就可以避免三體艦隊的厄運。

除了使用核聚變實現(xiàn)無工質推進外，核裂變也可達到這一效果?！逗藙恿鸺鞣铡芬晃脑榻B了“乘坐”不斷引爆的原子彈上天的獵戶座核火箭，它就屬于無工質核裂變脈沖推進。只不過這種推進方式有害輻射太多，屬于“臟”火箭，為珍惜生命和環(huán)境的人們所不齒。

迄今為止，代達羅斯計劃仍是論證最完備的核聚變火箭方案。它的構想影響了許多科幻影片：從《異形》到《阿凡達》，從《Wall-E》到《沖出寧靜號》，這些影片都把核聚變發(fā)動機作為推動龐大飛船的“常規(guī)”推進方式。

這也說明，科幻界認同這樣一個觀點：只要有足夠的資源和決心，“前進！前進??！不擇手段地前進?。?！”，造出核聚變火箭并非不可能的任務。

代達羅斯計劃飛船藝術圖。飛船使用核聚變推進，目標是6光年以外的巴納德星，并用50年的時間到達那里。

請看下集：

《三體》航天考(三)：終極曲率驅動！