最近，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局委托了三個(gè)私人公司：藍(lán)色起源、洛克希德·馬丁和通用原子能公司開(kāi)發(fā)用于月球軌道的核裂變火箭。

據(jù)澳大利亞《對(duì)話》雜志介紹，如果成功的話，可能會(huì)開(kāi)啟航天新紀(jì)元。但這只是火箭推進(jìn)技術(shù)進(jìn)展中令人興奮的方面之一，《對(duì)話》雜志介紹了幾種其他的航天器推進(jìn)技術(shù)。

化學(xué)火箭

航天器的標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)方式是使用化學(xué)火箭，主要有兩種類型：固體燃料(如航天飛機(jī)上的固體火箭助推器)和液體燃料(如土星V號(hào)運(yùn)載火箭)。

這兩種情況都是利用化學(xué)反應(yīng)在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生非常熱的高壓氣體。發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴是這種氣體的唯一出口，隨后氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴中膨脹出來(lái)，從而產(chǎn)生推力。

化學(xué)反應(yīng)需要燃料，如液氫或鋁粉，以及氧化劑如氧氣。還有許多其他變量最終也會(huì)決定火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，科學(xué)家和工程師一直在尋求從給定的設(shè)計(jì)中獲得更大的推力和燃油效率。

最近，SpaceX公司在對(duì)他們的星艦飛船原型進(jìn)行試飛。這款飛船使用的是“全流量分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)”，它以甲烷為燃料，以氧氣為氧化劑。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率要高得多，推重比也高得多。

核裂變火箭

原子核由稱為質(zhì)子和中子的亞原子粒子組成。這些決定了元素的質(zhì)量，質(zhì)子和中子越多，它的質(zhì)量就越重。有些原子核是不穩(wěn)定的，當(dāng)受到中子轟擊時(shí)會(huì)分裂成幾個(gè)較小的原子核。這就是核裂變的過(guò)程，可釋放出巨大的能量。當(dāng)原子核衰變時(shí)，它們也釋放出更多的中子，這些中子繼續(xù)分裂更多的原子，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

在核裂變火箭中，諸如氫推進(jìn)劑氣體，通過(guò)核裂變加熱至高溫，從而在反應(yīng)堆室內(nèi)產(chǎn)生高壓氣體。就像化學(xué)火箭一樣，氣體只能通過(guò)火箭噴嘴逸出，從而產(chǎn)生推力。

核裂變火箭預(yù)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生將大量有效載荷從地球表面送入太空所需的推力。然而，一旦進(jìn)入太空，它們就比化學(xué)火箭效率高得多。對(duì)于給定質(zhì)量的推進(jìn)劑，它們可以將航天器加速到更高的速度。

電力推進(jìn)火箭

類似“離子引擎”這樣激動(dòng)人心的科幻名詞已經(jīng)走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。真實(shí)的離子驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生帶電粒子(電離)，利用電場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行加速，然后用推進(jìn)器進(jìn)行發(fā)射。推進(jìn)劑是如氙氣一樣容易帶電的氣體。

當(dāng)帶電的氙原子加速離開(kāi)推進(jìn)器時(shí)，它們會(huì)將極少量的動(dòng)量(質(zhì)量和速度的乘積)傳遞給航天器，從而提供溫和的推力。雖然速度較慢，但離子驅(qū)動(dòng)是所有航天器推進(jìn)方法中最省燃料的方法之一，因此可以讓火箭的太空之旅走得更遠(yuǎn)。離子驅(qū)動(dòng)器通常用于姿態(tài)控制，科學(xué)家也已經(jīng)考慮利用其幫助舊衛(wèi)星脫軌。

目前的離子發(fā)動(dòng)機(jī)是由太陽(yáng)能電池供電的，需要的推進(jìn)劑非常少。它們已經(jīng)用于歐洲航天局的SMART-1登月任務(wù)和前往水星的“貝皮可倫坡”號(hào)航天器的探測(cè)任務(wù)。

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)目前正在為月球任務(wù)開(kāi)發(fā)一種大功率電力推進(jìn)系統(tǒng)，該推進(jìn)器在未來(lái)的深空探測(cè)中“至關(guān)重要”。

太陽(yáng)帆推進(jìn)技術(shù)

火箭的推進(jìn)通常需要推進(jìn)劑，但有一種更“綠色”的方法，僅依靠來(lái)自太陽(yáng)本身的光就能前進(jìn)。

帆依賴于動(dòng)量守恒的物理性質(zhì)。在地球上，我們習(xí)慣于把這種動(dòng)量看作是航行時(shí)空氣顆粒吹入船板的動(dòng)態(tài)壓力，推動(dòng)船只前進(jìn)。光是由光子組成的，光子沒(méi)有質(zhì)量，但它們有動(dòng)量，可以將動(dòng)量傳遞到帆上。由于單個(gè)光子的能量非常小，任何明顯的加速度都需尺寸非常大的帆。

速度的增加還取決于離太陽(yáng)有多遠(yuǎn)。在地球上，從太陽(yáng)光接收的能量約為每平方米1.3千瓦。如果我們有一個(gè)足球場(chǎng)大小的帆，相當(dāng)于9.3兆瓦，即使是很輕的物體也能提供非常低的加速度。

成功飛越金星的日本伊卡洛斯航天器和目前在地球軌道上的美國(guó)行星協(xié)會(huì)“光帆2號(hào)”已經(jīng)證明太陽(yáng)帆的實(shí)力。

提高效率和減小風(fēng)帆尺寸的一種方法是使用激光推動(dòng)航天器前進(jìn)。激光產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的光子光束，可以直接照射到帆上，從而提供更高的加速度。

以上的一些技術(shù)，如核裂變火箭的發(fā)展可能會(huì)引起部分人的擔(dān)憂。然而，隨著私營(yíng)公司和國(guó)家航天機(jī)構(gòu)越來(lái)越多地致力于太空探索，這些替代的推進(jìn)方式將變得更為主流，并且也有可能徹底改變我們新興的太空文明。(張佳欣)