三体航天考(一)

三体航天考(一)

2015-02-06 作者: giser 浏览: 690 次

摘要: 2011年12月5日,一条发自《科幻世界》主编的微博被科幻迷大量转发:“中国空间技术研究院打来电话,要求与刘慈欣通电话。说是《三体》给他们非常大的启发,要求进一步沟通。原来‘神舟’、‘嫦娥’项目中有那么多科研人员都看了《三体》。谁还能再说科学家轻视科幻?” ....

2011年12月5日,一条发自《科幻世界》主编的微博被科幻迷大量转发:“中国空间技术研究院打来电话,要求与刘慈欣通电话。说是《三体》给他们非常大的启发,要求进一步沟通。原来‘神舟’、‘嫦娥’项目中有那么多科研人员都看了《三体》。谁还能再说科学家轻视科幻?”

科幻世界姚海军新浪个人认证

2011-12-5 11:15

《三体》系列的可读性源于大刘构造了一个“真实”的世界。在那个由技术运转起来的近未来时代,无处不在的高技术提供了很大程度的真实感。读着对这些技术的细腻描写,我们会感到,假以时日和资源,这些看似科幻的技术一定能够成为现实。这也是航天科研人员对《三体》情有独钟的原因所在。难道大刘有神奇的预言能力?当然不是,小说里 的技术不是凭空出现的,它们或多或少都经人探索过。大刘只是在前人的肩膀上踮起脚,遵循技术发展的一般规律,看得稍远些而已。 《三体》的故事建立在大刘对航天技术发展的合理设想之上,没有那些令人称奇的航天技术,就不会有跌宕起伏的故事。如果说太空是《三体》发生的舞台,航天技术就是这舞台上不可或缺的道具。本文将聚焦于《三体 》描绘的未来航天技术,分析其背景、原理和实现可能性。其中,引自《三体》的内容使用楷体字,考证部分用宋体字,以示区别。

合理的技术路线图

在得知外星人的入侵舰队——三体舰队——将于三四百年后抵达地球的消息后,人类的“危机纪元”来临了。为了打造太阳系防御圈,抵御侵略。人们把打造大吨位长续航作战平台(万吨级太空战舰)作为终极目标,把有待开发的技术分为关键技术和辅助技术。分清主次后,有限资源集中于技术瓶颈,逐级向技术顶峰攀登。其中,关键技术就是核聚 变发动机和太空电梯[1]。 在物理学基础研究被三体人锁定,基础理论无法发展的情况下,人们只能根据各学科现有发展情况确定指标参数,推测人类可能达到的各种技术层次。据此,中国太空军规划出万吨级太空战舰的三个技术层次,如下表[2]所示:

技术层次 最高速度(公里/秒) 作战半径 生态循环能力
低技术层次 800 海王星轨道内
中技术层次 4800 柯依伯带以外 部分循环
高技术层次 16000(光速5%) 奥尔特星云附近 完全循环

为保证太空战舰拥有足够的推力和续航动力,战舰上只能配备人类掌握的最高密度能量——核聚变能。这时,在推进方式的选择上,航天界出现了分歧,航天实力派主张发展工质推进飞船(http://songshuhui.net/archives/69415#)。

航空母舰指挥官出身的中国太空军军官章北海认为,在强大的三体舰队面前,人类舰队采用工质推进就是死路一条,太阳系将变成威海卫,人类太空军将成为第二个北洋水师。最终他单枪匹马,用一种有争议的独特方式解决了这一分歧,航天科研人员终于沿着无工质推进飞船[4]的路径前进了。可以说,没有章北海选择的正确道路,地球人就没有未来。 在“危机纪元”最初的日子里,化学燃料火箭、航天飞机、空天飞机等航天器纷纷登场又匆匆谢幕。它们或是因为性价比低,或是因为不能满足未来星际战争的需要而被淘汰了。最后的胜利者属于集中所有资源攻关的无工质核聚变发动机。太空舰队需有天地往返系统、太空港口等基础设施支持。于是太空电梯和大型永久式空间站应运而生。辅助技术包括循环生态系统、深海状态、人体冷冻、离子发动机、电磁发射器等。

辅助技术与关键技术一样不可或缺,只是它们处于技术舞台的聚光灯之外,不那么引人注意。以舰载循环生态系统为例,这是小说中人类实现的最重要的技术突破之一。如果没有自给自足的循环能力,人类后来的星舰文明、太空城、银河系文明都不会出现,地球人或三体人也根本无法走出自己的家园,成为真正的太空文明。大刘构造了这样一个合理的航天关键技术发展链条,链条的每个环节又与辅助技术形成技术网络,共同勾勒出完整的技术画卷。

扶摇直上九万里

太空电梯是“危机纪元”中最先实现的航天关键技术。太空电梯源自一个古老的梦想——用天梯连接地面与天空,人可以通过此梯往返天地之间。这个梦想可以追溯至《圣经》时 代。《圣经·创世纪》中有这样一个故事:雅各布做梦沿着登天的梯子取得了“圣火”。后人便把这梦想中的梯子,称之为雅各布天梯。大刘在小说里这样描述了太空电梯在21世纪二三十年代的试运行——

所有的太空电梯都只铺设了一条初级导轨,与设计中的四条导轨相比,运载能力小许多,但与化学火箭时代已不可同日而语,如果不考虑天梯的建造费用,现在进入太空的成 本已经大大低于民航飞机了。”(《三体II》第216页)

1979年科幻大师阿瑟-克拉克出版了《天堂的喷泉》一书。该书讲述了人类靠一种强度极大但质量极轻的碳纤维材料把地球和同步轨道卫星连接起来的故事。书中的主人 公为了这一工程耗尽心血,终于殉职于太空电梯上。在小说的结尾,人类已将所有的人造卫星都横向相连并将它们与地球纵向连接,这个巨大的人造环带好似给地球围上一条项链 。这听起来更像天方夜谭而非务实的太空计划。以至于当美国物理学家皮尔森于1970年提出太空电梯的概念时,人们对他的建议就是“改行写科幻小说去吧”。 但工程师经 过论证发现,以现有技术为基础,太空电梯的梦想是能够实现的。太空电梯的本质是建设一座永久性的“缆绳”式建筑,将地面与地球轨道上的某一点连接起来,并允许运输工具 沿着这条缆绳行驶。听起来这和我们常见的电梯确实大同小异,问题在于我们要连接哪两个点和怎样连接。 大刘设想——

“天梯三号是唯一一部基点在海上的太空电梯,它的基点是在太平洋赤道上的一座人工浮岛,浮岛可以借助自身的核动力在海上航行,因此可以报据需要沿着赤道改变太空电 梯的位置。”(《三体II》第217页)

同步轨道卫星相对它正下方的地面静止不同。这种卫星都定点于赤道上空三万六千公里处。要保证太空电梯相对于地面不发生漂移,只能一端建在赤道上,另一端连接同步轨 道卫星。 在真实世界中,要实现太空电梯的梦想,要比神话和小说中困难得多。建造太空电梯最大的挑战在于找到制造电梯缆绳的材料。缆绳应该是一根高强度的长索。普通的 钢丝如果从9公里的高空中垂下来,它就会被自己的重量拉断。好在碳纳米管的发明使人们看到了希望。碳纳米管非常细小,但强度可与金刚石媲美,而且柔韧性很好,可制成纤 维。理论上说,宽1米、像纸一样薄的纳米管缆带就可以支撑13吨的重量。《三体》中“只有六十厘米宽[5]”的天梯导轨是用别名“飞刃”的纳米材料制成的。主持“飞刃”研制的科学家汪淼也因此成为整部小说中最先出场的人物,汪淼的生活和工作均被 三体人干扰。这是因为三体人担心地球人从这种材料入手,造出太空电梯,进而发展出太空防御系统,影响三体人的殖民地球计划。 大刘进一步描述道——

天梯三号的终点站是“车轮形状的(黄河)空间站……位于电梯终点上方三百公里处,是作为电梯的平衡配重物建造的。”(《三体II》第226页)

太空电梯为何要有平衡配重物呢?这是因为细长物体承受拉力的本领比承受压力的本领大得多。为避免太空电梯的缆绳被自身重量压垮,工程师想出了一个主意,从同步轨道卫星 上垂下三万六千公里长的缆绳,直达地面,在缆绳的另一头还有“平衡锤”。平衡锤以极大的速度绕地球运转,因为离心作用的缘故,它能给缆绳施加很大的拉力,确保缆绳绷紧 。 与大多数公共交通一样,目前航天工程师设计的太空电梯舱也是双向对开的,并在适当的高度安装“站台”以方便乘客和货物上下。这些站台实际是固定在太空电梯上的空间 站,它们的重量应该从最初设计时就考虑在内,甚至电梯舱的载重和行驶位置也需要精确计算,以保证缆绳的平稳。

防范攻击与破坏

在《三体》故事里,每次地球遭遇袭击时,太空电梯都成为逃难者争抢的交通工具,如果得不到座位,暴民就会攻击太空电梯:

“随着水滴(三体人发出的探测器)向地球的逼近……所有太空电梯的基点和航天发射基地周围都有大量的人群在聚集,扬言要关闭所有进入太空的通道。……当发现(太空 电梯)运载舱上升或航天器起飞时,这些人会同时拔抢照射,激光的直线弹道使瞄准很精确,大部分的光束都会聚集在目标上并将其摧毁。”(《三体II》第428页) 当“黑暗森林”打击警报响起时:“在太空电梯的基站也发生了武装冲突……部分国家试图派军队控制赤道海洋上的国际基站。”(《三体III》329页

如果当代的恐怖分子能将民用航空器作为攻击对象,那么未来的恐怖分子完全可能把太空电梯作为袭击目标。将太空电梯置于偏远位置将是降低风险的最佳方法。比如,太空 电梯的锚定点可以位于赤道附近的太平洋海域的移动平台上,它与任何空中航线或船舶航路的距离至少为650公里。无论恐怖分子从哪里发动袭击,太空电梯的防卫者都会有足 够的预警时间。此外,太空电梯的结构决定了从地面发起的恐怖袭击都只能威胁到电梯的一小部分,即15公里高度以下的部分。太空电梯耗资巨大、战略意义重要,拥有该设施 的国家都将部署警卫部队把守这个太空港口。就像当今把守重要桥梁、隧道一样。 与空间站或宇宙飞船一样,太空电梯也应需具备避开太空垃圾的能力。太空电梯的缆绳将锚定 在赤道附近海域的移动平台上。这个移动平台就像放大版的海上石油钻井平台。移动平台上装有推进器,可以来回变换位置,从而挪动太空电梯,避开来袭的太空碎片或陨石。

太空电梯的未来

据太空电梯研究者布拉德利·爱德华兹估算,太空电梯建造成本不会低于100亿美元,维护费用也不是小数目。《三体III》的女主人公程心与男主人公云天明会面时“乘坐 的是人类建成的第一部太空电梯,这个终端站建于危机纪元15年[6]”。也就是 说人类第一部太空电梯落成于21世纪二三十年代。当时,为支持太空电梯的建设,各国都实行战时经济,生活必需品实行配给。以人类目前的技术发展水平和资源调动能力而言 ,这个时间估算是可信的。 虽然太空电梯的建造与维护耗资巨大,但投入运行后,它与传统航天器相比在运输成本有巨大优势。尽管电梯舱上升速度比火箭慢,但它却能将每千 克货物的发射成本从现在的22000~44000美元降到900美元左右。最先拥有太空电梯的国家将率先获取太空资源,享受“电梯红利”。 几百年以后,当太空电梯这 道通往宇宙的桥梁造好之后,地球上的居民大规模向外层空间移民,在地球的外围会建立数以万计的大大小小的空间城。届时,在空间城之间又会建立起宇宙索道,就像把城市连 接起来的公路和铁路一样。就像大刘描述的那样——

“在地球的夜空中,移动的星星目益增多,那是人类在太空轨道上的大型建筑物。……随着太空电梯的建成,人类开始了对太阳系行星的大规模探索。”(《三体II》第2 17页,257页)

有科学家认为,随着太空电梯的广泛建设,在遥远的未来,从火星或金星上看去,地球周围将布满蛛丝般的网络,赤道上空耀眼的光环是连成一体的空间站。这个超级环形空 间站由多台太空电梯与地球相连,仿佛自行车的辐条。与地球类似,太阳系中其它有人居住的星球——月球、火星、土卫六——也可以在自己的赤道上安装太空电梯,这将是太空 居民点之间往来的桥梁。

从引力跳板到核弹跳板

阶梯计划

所谓阶梯计划,是危机时代人类向来袭的三体舰队发射探测飞船的尝试。根据该计划,预先把大量核弹用传统的推进方式发射至太空,核弹逐个分布在飞船的最初的航线上。飞船 在经过每一颗核弹的一瞬间,核弹在飞船辐射帆后面爆炸,产生推进力。因为核弹的每一次爆炸都使飞船的速度增加一级,很像在登一道阶梯,所以叫做阶梯计划。

这个计划是由《三体III》女主人公程心提出的,当时这个中国女孩正效力于行星防御理事会战略情报局(PIA)。

很久以后,程心在自传《时间之外的往事》中这样评价自己的计划:“火龙出水和连发弩都是把落后的技术以先进的方式组合起来,试图产生貌似超越时代的能力。……阶梯 计划也难以把人类带入宇航新时代,它只是用当时的技术所进行的孤注一掷的努力。”

我们可以把这段文字看做程心的自谦,但这个巧妙的低技术组合的确产生了奇伟的效果,造就了人类有史以来最高速的飞行器。从这个意义上讲,大刘应为这个技术构思感到 自豪。 在现实中,的确有航天器不带燃料却能加速飞行的方式,这就是“引力跳板”技术。因为航天器是借助航线上经过的行星加速,所以引力跳板也被形象地称作“借力飞行 ”。不知大刘是否参考了引力跳板原理,构造出“核弹跳板”+“辐射帆”的情节,用低技术组合的方式把自愿参与探测的云天明送出了太阳系。

引力跳板原理

只要飞船飞越行星的速度和位置合适,就能利用行星引力跳板加速。但能量不会凭空产生,利用引力跳板加速的航天器,是从哪里“借”来的动能呢? 行星并非真的静止不动,自转和公转使其携带了巨大的角动量。在太阳系整体角动量中,太阳自身的角动量只占2%,其它98%的角动量掌握在围绕太阳的星体手中。当飞船切入行星轨道后,它也分得 了行星的一部分角动量。转移的角动量体现在飞船飞出行星引力场时的速度变化中。以太阳为参照物,此时飞船飞出行星的速度不仅改变了方向,也增加了大小。根据能量守恒定 律,航天器增加的动能也就是行星减少的动能。只不过行星的动能太过庞大,小小的航天器分得的动能与之相比不过九牛一毛而已,并不会影响行星的运转。这就好比我们使用风 力发电机从空气流动中获取能量,却不必担心风会因此停止一样。

借力成功的航天器

引力跳板可以节省探测器所带的燃料,大大缩短行星际航行时间。如果航天器选择最经济的双切椭圆轨道飞行,飞向土星需要6年,飞向天王星需要l6年,飞抵海王星需要31 年。而假如使用木星做引力跳板,飞抵土星只需3~4年,飞到天王星只需8~9年,飞抵海王星也只需12年。 “旅行者l”号和“旅行者2”号探测器就曾利用1982年 “九星联珠”的机会,先后把木星、土星、天王星当作“跳板”,一次又一次地从木星跳到土星,又从土星跳到天王星,继而跳到海王星。成为探测行星最多的探测器。1990 年发射的“尤利西斯”号太阳探测器,在飞近木星之后借助木星引力,偏转90度而跳入太阳极区,对从未近距接触过的太阳两极进行了探测。1997年发射的“卡西尼”号土 星探测器质量太大,运载火箭无法将其直接发往土星,遂采用引力跳板。它两次掠过金星,而后又掠过地球和木星,最后才飞往土星。地球距土星只有12.5亿公里,“卡西尼 ”号的行程却达32亿公里。2006年发射的“新视野”号探测器也借助木星飞向冥王星,若不绕过木星加速、直飞冥王星的话反而会多用四年时间。

核弹跳板优势所在

有读者会问:阶梯计划里把核弹逐个发射到预定位置并进行位置保持也需消耗火箭燃料,干嘛费这个劲?为何不把这些燃料攒到一起,把所有核弹和载有云天明的飞船一并发射出 去?这样飞船可以把自身携带的核弹一个个丢到后面,逐个爆炸,推动飞船前进。如此利用燃料的效率不是更高吗? 其实不然。如果把所有N枚核弹都装在飞船上,变成一个整 体发射,那么首枚爆炸的核弹需推进其余(N-1)枚核弹及飞船的质量,第二枚核弹需推进(N-2)枚核弹及飞船的质量……飞船携带的尚未爆炸的核弹成了阻碍飞船加速的 “死重”,这当然不如每枚核弹只负责推进飞船效率高。在对重量锱铢必较的航天工程师看来,宁可费些事把全部核弹部署到推进航段上,也不能图省事影响飞船的最终速度,使 其不能尽早与三体舰队接触。

【下期预告:云天明搭乘的辐射帆是怎么回事?无工质核聚变火箭能使太阳系舰队逃脱北洋水师的命运吗?】

参考资料

[1]《三体II》170页

[2] 《三体II》110页

[3] 工质型核聚变发动机以核聚变能量推动有质量的工质,产生反推力推进飞船。工质发动机需飞船携带推 进工质。如果航程远,需进行长时间加速或减速,工质的需要量将非常巨大。因而工质型发动机不适合进行星际远航。

[4] 无工质型核聚变发动机是指用核聚变辐射能量直接推进飞船,飞船无需携带推进工质。

[5] 《三体II》第217页

[6] 《三体III》236页

关于本文

本文选自太空松鼠赵洋的新书《太空将来时》。

本书已在当当网销售

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【封面设计by陈卫卫】 本

文引用地址:http://songshuhui.net/archives/69415

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