劉慈欣的科幻著作《三體》可謂中國(guó)科幻近年來的扛鼎之作。該書講述了外星人“三體人”與地球人類之間數(shù)百年乃至整個(gè)宇宙的故事。它所蘊(yùn)含的龐大設(shè)定、對(duì)宇宙的恢宏描寫以及跌宕起伏的劇情，無一不深深抓住了讀者的心。

既然是關(guān)于地球和宇宙的故事，書中自然不乏劉慈欣對(duì)未來航天科技的設(shè)想。這里，我們將探討書中提到的航天技術(shù)，比如太空電梯、核聚變火箭和曲率驅(qū)動(dòng)，并對(duì)這些航天科技進(jìn)行或現(xiàn)實(shí)、或科幻的考據(jù)。

太空電梯想象圖

1、合理的航天技術(shù)路線圖

在得知外星人的入侵艦隊(duì)——三體艦隊(duì)——將于三四百年后抵達(dá)地球的消息后，人類的“危機(jī)紀(jì)元”來臨了。為了打造太陽系防御圈，抵御侵略，人們把打造大噸位長(zhǎng)續(xù)航作戰(zhàn)平臺(tái)（萬噸級(jí)太空戰(zhàn)艦）作為終極目標(biāo)，把有待開發(fā)的技術(shù)分為關(guān)鍵技術(shù)和輔助技術(shù)。

分清主次后，有限資源集中于技術(shù)瓶頸，逐級(jí)向技術(shù)頂峰攀登。其中，關(guān)鍵技術(shù)就是核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)和太空電梯。

核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)，工質(zhì)or非工質(zhì)？

在物理學(xué)基礎(chǔ)研究被三體人鎖定、基礎(chǔ)理論無法發(fā)展的情況下，人們只能根據(jù)各學(xué)科現(xiàn)有發(fā)展情況確定指標(biāo)參數(shù)，推測(cè)人類可能達(dá)到的各種技術(shù)層次。

據(jù)此，中國(guó)太空軍規(guī)劃出萬噸級(jí)太空戰(zhàn)艦的三個(gè)技術(shù)層次，如下表所示：

為保證太空戰(zhàn)艦擁有足夠的推力和續(xù)航動(dòng)力，戰(zhàn)艦上只能配備人類掌握的最高密度能量——核聚變能。這時(shí)，在推進(jìn)方式的選擇上，航天界出現(xiàn)了分歧，航天實(shí)力派主張發(fā)展工質(zhì)推進(jìn)飛船。

航空母艦指揮官出身的中國(guó)太空軍軍官章北海認(rèn)為，在強(qiáng)大的三體艦隊(duì)面前，人類艦隊(duì)采用工質(zhì)推進(jìn)就是死路一條，太陽系將變成威海衛(wèi)，人類太空軍將成為第二個(gè)北洋水師。

最終他單槍匹馬，用一種有爭(zhēng)議的獨(dú)特方式解決了這一分歧，航天科研人員終于沿著無工質(zhì)推進(jìn)飛船的路徑前進(jìn)了。

可以說，沒有章北海選擇的正確道路，地球人就沒有未來。

在“危機(jī)紀(jì)元”最初的日子里，化學(xué)燃料火箭、航天飛機(jī)、空天飛機(jī)等航天器紛紛登場(chǎng)又匆匆謝幕。它們或是因?yàn)樾詢r(jià)比低，或是因?yàn)椴荒軡M足未來星際戰(zhàn)爭(zhēng)的需要而被淘汰了。最后的勝利者屬于集中所有資源攻關(guān)的無工質(zhì)核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)。

新突破，可能在哪里？

太空艦隊(duì)需有天地往返系統(tǒng)、太空港口等基礎(chǔ)設(shè)施支持，于是太空電梯和大型永久式空間站應(yīng)運(yùn)而生。

輔助技術(shù)包括循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)、深海狀態(tài)、人體冷凍、離子發(fā)動(dòng)機(jī)、電磁發(fā)射器等。

輔助技術(shù)與關(guān)鍵技術(shù)一樣不可或缺，只是它們處于技術(shù)舞臺(tái)的聚光燈之外，不那么引人注意。以艦載循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)為例，這是小說中人類實(shí)現(xiàn)的最重要的技術(shù)突破之一。如果沒有自給自足的循環(huán)能力，人類后來的星艦文明、太空城、銀河系文明都不會(huì)出現(xiàn)，地球人或三體人也根本無法走出自己的家園，成為真正的太空文明。

大劉構(gòu)造了這樣一個(gè)合理的航天關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展鏈條，鏈條的每個(gè)環(huán)節(jié)又與輔助技術(shù)形成技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，共同勾勒出完整的技術(shù)畫卷。

2、太空電梯，扶搖直上九萬里

理論基礎(chǔ)

太空電梯是“危機(jī)紀(jì)元”中最先實(shí)現(xiàn)的航天關(guān)鍵技術(shù)。太空電梯源自一個(gè)古老的夢(mèng)想——用天梯連接地面與天空，人可以通過此梯往返天地之間。這個(gè)夢(mèng)想可以追溯至《圣經(jīng)》時(shí)代?！妒ソ?jīng)·創(chuàng)世紀(jì)》中有這樣一個(gè)故事：雅各布做夢(mèng)沿著登天的梯子取得了“圣火”。后人便把這夢(mèng)想中的梯子，稱之為雅各布天梯。

大劉在小說里這樣描述了太空電梯在21世紀(jì)二三十年代的試運(yùn)行：

“所有的太空電梯都只鋪設(shè)了一條初級(jí)導(dǎo)軌，與設(shè)計(jì)中的四條導(dǎo)軌相比，運(yùn)載能力小許多，但與化學(xué)火箭時(shí)代已不可同日而語，如果不考慮天梯的建造費(fèi)用，現(xiàn)在進(jìn)入太空的成本已經(jīng)大大低于民航飛機(jī)了?！保ā度wII》第216頁）

1979年科幻大師阿瑟-克拉克出版了《天堂的噴泉》一書。該書講述了人類靠一種強(qiáng)度極大但質(zhì)量極輕的碳纖維材料把地球和同步軌道衛(wèi)星連接起來的故事。書中的主人公為了這一工程耗盡心血，終于殉職于太空電梯上。在小說的結(jié)尾，人類已將所有的人造衛(wèi)星都橫向相連并將它們與地球縱向連接，這個(gè)巨大的人造環(huán)帶好似給地球圍上一條項(xiàng)鏈。

這聽起來更像天方夜譚而非務(wù)實(shí)的太空計(jì)劃，以至于當(dāng)美國(guó)物理學(xué)家皮爾森于1970年提出太空電梯的概念時(shí)，人們對(duì)他的建議就是“改行寫科幻小說去吧”。

但工程師經(jīng)過論證發(fā)現(xiàn)，以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，太空電梯的夢(mèng)想是能夠?qū)崿F(xiàn)的。太空電梯的本質(zhì)是建設(shè)一座永久性的“纜繩”式建筑，將地面與地球軌道上的某一點(diǎn)連接起來，并允許運(yùn)輸工具沿著這條纜繩行駛。

聽起來這和我們常見的電梯確實(shí)大同小異，問題在于我們要連接哪兩個(gè)點(diǎn)和怎樣連接。

“天梯三號(hào)是唯一一部基點(diǎn)在海上的太空電梯，它的基點(diǎn)是在太平洋赤道上的一座人工浮島，浮島可以借助自身的核動(dòng)力在海上航行，因此可以報(bào)據(jù)需要沿著赤道改變太空電梯的位置。”（《三體II》第217頁）

同步軌道衛(wèi)星相對(duì)它正下方的地面靜止不動(dòng)。這種衛(wèi)星都定點(diǎn)于赤道上空三萬六千公里處。要保證太空電梯相對(duì)于地面不發(fā)生漂移，只能一端建在赤道上，另一端連接同步軌道衛(wèi)星。

太空電梯實(shí)現(xiàn)的難度仍然很大

在真實(shí)世界中，要實(shí)現(xiàn)太空電梯的夢(mèng)想，要比神話和小說中困難得多。建造太空電梯最大的挑戰(zhàn)在于找到制造電梯纜繩的材料。

纜繩應(yīng)該是一根高強(qiáng)度的長(zhǎng)索。普通的鋼絲如果從9公里的高空中垂下來，它就會(huì)被自己的重量拉斷。好在碳納米管的發(fā)明使人們看到了希望。

碳納米管非常細(xì)小，但強(qiáng)度可與金剛石媲美，而且柔韌性很好，可制成纖維。理論上說，寬1米、像紙一樣薄的納米管纜帶就可以支撐13噸的重量。

《三體》中“只有六十厘米寬”的天梯導(dǎo)軌是用別名“飛刃”的納米材料制成的。主持“飛刃”研制的科學(xué)家汪淼也因此成為整部小說中最先出場(chǎng)的關(guān)鍵科研人物，汪淼的生活和工作均被三體人干擾。這是因?yàn)槿w人擔(dān)心地球人從這種材料入手，造出太空電梯，進(jìn)而發(fā)展出太空防御系統(tǒng)，影響三體人的殖民地球計(jì)劃。

大劉進(jìn)一步描述道：

天梯三號(hào)的終點(diǎn)站是“車輪形狀的（黃河）空間站……位于電梯終點(diǎn)上方三百公里處，是作為電梯的平衡配重物建造的?！保ā度wII》第226頁）

太空電梯為何要有平衡配重物呢？這是因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)物體承受拉力的本領(lǐng)比承受壓力的本領(lǐng)大得多。為避免太空電梯的纜繩被自身重量壓垮，工程師想出了一個(gè)主意，從同步軌道衛(wèi)星上垂下三萬六千公里長(zhǎng)的纜繩，直達(dá)地面，在纜繩的另一頭還有“平衡錘”。

平衡錘以極大的速度繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，因?yàn)殡x心作用的緣故，它能給纜繩施加很大的拉力，確保纜繩繃緊。

與大多數(shù)公共交通一樣，目前航天工程師設(shè)計(jì)的太空電梯艙也是雙向?qū)﹂_的，并在適當(dāng)?shù)母叨劝惭b“站臺(tái)”以方便乘客和貨物上下。這些站臺(tái)實(shí)際是固定在太空電梯上的空間站，它們的重量應(yīng)該從最初設(shè)計(jì)時(shí)就考慮在內(nèi)，甚至電梯艙的載重和行駛位置也需要精確計(jì)算，以保證纜繩的平穩(wěn)。

如何防范攻擊與破壞？

在《三體》故事里，每次地球遭遇襲擊時(shí)，太空電梯都成為逃難者爭(zhēng)搶的交通工具，如果得不到座位，暴民就會(huì)攻擊太空電梯：

“隨著水滴（三體人發(fā)出的探測(cè)器）向地球的逼近……所有太空電梯的基點(diǎn)和航天發(fā)射基地周圍都有大量的人群在聚集，揚(yáng)言要關(guān)閉所有進(jìn)入太空的通道。……當(dāng)發(fā)現(xiàn)（太空電梯）運(yùn)載艙上升或航天器起飛時(shí)，這些人會(huì)同時(shí)拔搶照射，激光的直線彈道使瞄準(zhǔn)很精確，大部分的光束都會(huì)聚集在目標(biāo)上并將其摧毀?！保ā度w2》第428頁）

當(dāng)“黑暗森林”打擊警報(bào)響起時(shí)：“在太空電梯的基站也發(fā)生了武裝沖突……部分國(guó)家試圖派軍隊(duì)控制赤道海洋上的國(guó)際基站?！保ā度w3》329頁）

如果當(dāng)代的恐怖分子能將民用航空器作為攻擊對(duì)象，那么未來的恐怖分子完全可能把太空電梯作為襲擊目標(biāo)。

將太空電梯置于偏遠(yuǎn)位置將是降低風(fēng)險(xiǎn)的最佳方法。比如，太空電梯的錨定點(diǎn)可以位于赤道附近的太平洋海域的移動(dòng)平臺(tái)上，它與任何空中航線或船舶航路的距離至少為650公里。無論恐怖分子從哪里發(fā)動(dòng)襲擊，太空電梯的防衛(wèi)者都會(huì)有足夠的預(yù)警時(shí)間。此外，太空電梯的結(jié)構(gòu)決定了從地面發(fā)起的恐怖襲擊都只能威脅到電梯的一小部分，即15公里高度以下的部分。

太空電梯耗資巨大、戰(zhàn)略意義重要，擁有該設(shè)施的國(guó)家都將部署警衛(wèi)部隊(duì)把守這個(gè)太空港口，就像當(dāng)今把守重要橋梁、隧道一樣。

與空間站或宇宙飛船一樣，太空電梯也應(yīng)需具備避開太空垃圾的能力。太空電梯的纜繩將錨定在赤道附近海域的移動(dòng)平臺(tái)上。這個(gè)移動(dòng)平臺(tái)就像放大版的海上石油鉆井平臺(tái)。移動(dòng)平臺(tái)上裝有推進(jìn)器，可以來回變換位置，從而挪動(dòng)太空電梯，避開來襲的太空碎片或隕石。

太空電梯基座想象圖

天體之間，以電梯相連

據(jù)太空電梯研究者布拉德利·愛德華茲估算，太空電梯建造成本不會(huì)低于100億美元，維護(hù)費(fèi)用也不是小數(shù)目。

《三體3》的女主人公程心與男主人公云天明會(huì)面時(shí)“乘坐的是人類建成的第一部太空電梯，這個(gè)終端站建于危機(jī)紀(jì)元15年”，也就是說人類第一部太空電梯落成于21世紀(jì)二三十年代。當(dāng)時(shí)，為支持太空電梯的建設(shè)，各國(guó)都實(shí)行戰(zhàn)時(shí)經(jīng)濟(jì)，生活必需品實(shí)行配給。以人類目前的技術(shù)發(fā)展水平和資源調(diào)動(dòng)能力而言，這個(gè)時(shí)間估算是可信的。

雖然太空電梯的建造與維護(hù)耗資巨大，但投入運(yùn)行后，它與傳統(tǒng)航天器相比在運(yùn)輸成本有巨大優(yōu)勢(shì)。盡管電梯艙上升速度比火箭慢，但它卻能將每千克貨物的發(fā)射成本從現(xiàn)在的22000～44000美元降到900美元左右。最先擁有太空電梯的國(guó)家將率先獲取太空資源，享受“電梯紅利”。

幾百年以后，當(dāng)太空電梯這道通往宇宙的橋梁造好之后，地球上的居民大規(guī)模向外層空間移民，在地球的外圍會(huì)建立數(shù)以萬計(jì)的大大小小的空間城。屆時(shí)，在空間城之間又會(huì)建立起宇宙索道，就像把城市連接起來的公路和鐵路一樣。就像大劉描述的那樣——

“在地球的夜空中，移動(dòng)的星星目益增多，那是人類在太空軌道上的大型建筑物?！S著太空電梯的建成，人類開始了對(duì)太陽系行星的大規(guī)模探索。”（《三體II》第217頁，257頁）

有科學(xué)家認(rèn)為，隨著太空電梯的廣泛建設(shè)，在遙遠(yuǎn)的未來，從火星或金星上看去，地球周圍將布滿蛛絲般的網(wǎng)絡(luò)，赤道上空耀眼的光環(huán)是連成一體的空間站。這個(gè)超級(jí)環(huán)形空間站由多臺(tái)太空電梯與地球相連，仿佛自行車的輻條。與地球類似，太陽系中其它有人居住的星球——月球、火星、土衛(wèi)六——也可以在自己的赤道上安裝太空電梯，這將是太空居民點(diǎn)之間往來的橋梁。

3、階梯計(jì)劃：從引力跳板到核彈跳板

所謂階梯計(jì)劃，是危機(jī)時(shí)代人類向來襲的三體艦隊(duì)發(fā)射探測(cè)飛船的嘗試。根據(jù)該計(jì)劃，預(yù)先把大量核彈用傳統(tǒng)的推進(jìn)方式發(fā)射至太空，核彈逐個(gè)分布在飛船的最初的航線上。飛船在經(jīng)過每一顆核彈的一瞬間，核彈在飛船輻射帆后面爆炸，產(chǎn)生推進(jìn)力，因?yàn)楹藦椀拿恳淮伪ǘ际癸w船的速度增加一級(jí)，很像在登一道階梯，所以叫做階梯計(jì)劃。

這個(gè)計(jì)劃是由《三體III》女主人公程心提出的，當(dāng)時(shí)這個(gè)中國(guó)女孩正效力于行星防御理事會(huì)戰(zhàn)略情報(bào)局（PIA）。

很久以后，程心在自傳《時(shí)間之外的往事》中這樣評(píng)價(jià)自己的計(jì)劃：“火龍出水和連發(fā)弩都是把落后的技術(shù)以先進(jìn)的方式組合起來，試圖產(chǎn)生貌似超越時(shí)代的能力?！A梯計(jì)劃也難以把人類帶入宇航新時(shí)代，它只是用當(dāng)時(shí)的技術(shù)所進(jìn)行的孤注一擲的努力?！?/p>

我們可以把這段文字看做程心的自謙，但這個(gè)巧妙的低技術(shù)組合的確產(chǎn)生了奇?zhèn)サ男Ч?，造就了人類有史以來最高速的飛行器。從這個(gè)意義上講，大劉應(yīng)為這個(gè)技術(shù)構(gòu)思感到自豪。

引力跳板：借著引力，飛得更快

在現(xiàn)實(shí)中，的確有航天器不帶燃料卻能加速飛行的方式，這就是“引力跳板”技術(shù)。因?yàn)楹教炱魇墙柚骄€上經(jīng)過的行星加速，所以引力跳板也被形象地稱作“借力飛行”。

不知大劉是否參考了引力跳板原理，構(gòu)造出“核彈跳板”+“輻射帆”的情節(jié)，用低技術(shù)組合的方式把自愿參與探測(cè)的云天明送出了太陽系。

只要飛船飛越行星的速度和位置合適，就能利用行星引力跳板加速，但能量不會(huì)憑空產(chǎn)生，利用引力跳板加速的航天器，是從哪里“借”來的動(dòng)能呢？

行星并非真的靜止不動(dòng)，自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)使其攜帶了巨大的角動(dòng)量。在太陽系整體角動(dòng)量中，太陽自身的角動(dòng)量只占2%，其它98%的角動(dòng)量掌握在圍繞太陽的星體手中。

當(dāng)飛船切入行星軌道后，它也分得了行星的一部分角動(dòng)量。轉(zhuǎn)移的角動(dòng)量體現(xiàn)在飛船飛出行星引力場(chǎng)時(shí)的速度變化中。

以太陽為參照物，此時(shí)飛船飛出行星的速度不僅改變了方向，也增加了大小。根據(jù)能量守恒定律，航天器增加的動(dòng)能也就是行星減少的動(dòng)能，只不過行星的動(dòng)能太過龐大，小小的航天器分得的動(dòng)能與之相比不過九牛一毛而已，并不會(huì)影響行星的運(yùn)轉(zhuǎn)。這就好比我們使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)從空氣流動(dòng)中獲取能量，卻不必?fù)?dān)心風(fēng)會(huì)因此停止一樣。

引力跳板可以節(jié)省探測(cè)器所帶的燃料，大大縮短行星際航行時(shí)間。如果航天器選擇最經(jīng)濟(jì)的雙切橢圓軌道飛行，飛向土星需要6年，飛向天王星需要l6年，飛抵海王星需要31年。而假如使用木星做引力跳板，飛抵土星只需3～4年，飛到天王星只需8～9年，飛抵海王星也只需12年。

“旅行者1”號(hào)和“旅行者2”號(hào)探測(cè)器就曾利用1982年“九星聯(lián)珠”的機(jī)會(huì)，先后把木星、土星、天王星當(dāng)作“跳板”，一次又一次地從木星跳到土星，又從土星跳到天王星，繼而跳到海王星，成為探測(cè)行星最多的探測(cè)器。

1990年發(fā)射的“尤利西斯”號(hào)太陽探測(cè)器，在飛近木星之后借助木星引力，偏轉(zhuǎn)90度而跳入太陽極區(qū)，對(duì)從未近距接觸過的太陽兩極進(jìn)行了探測(cè)。

1997年發(fā)射的“卡西尼”號(hào)土星探測(cè)器質(zhì)量太大，運(yùn)載火箭無法將其直接發(fā)往土星，遂采用引力跳板。它兩次掠過金星，而后又掠過地球和木星，最后才飛往土星。地球距土星只有12.5億公里，“卡西尼”號(hào)的行程卻達(dá)32億公里。

2006年發(fā)射的“新視野”號(hào)探測(cè)器也借助木星飛向冥王星，若不繞過木星加速、直飛冥王星的話反而會(huì)多用四年時(shí)間。

《星際穿越》配套游戲里飛船利用引力跳板加速的一幕

核彈跳板，優(yōu)勢(shì)何在？

有讀者會(huì)問：階梯計(jì)劃里把核彈逐個(gè)發(fā)射到預(yù)定位置并進(jìn)行位置保持也需消耗火箭燃料，干嘛費(fèi)這個(gè)勁？為何不把這些燃料攢到一起，把所有核彈和載有云天明的飛船一并發(fā)射出去？這樣飛船可以把自身攜帶的核彈一個(gè)個(gè)丟到后面，逐個(gè)爆炸，推動(dòng)飛船前進(jìn)。如此利用燃料的效率不是更高嗎？

其實(shí)不然。如果把所有N枚核彈都裝在飛船上，變成一個(gè)整體發(fā)射，那么首枚爆炸的核彈需推進(jìn)其余（N-1）枚核彈及飛船的質(zhì)量，第二枚核彈需推進(jìn)（N-2）枚核彈及飛船的質(zhì)量……飛船攜帶的尚未爆炸的核彈成了阻礙飛船加速的“死重”，這當(dāng)然不如每枚核彈只負(fù)責(zé)推進(jìn)飛船效率高。

在對(duì)重量錙銖必較的航天工程師看來，寧可費(fèi)些事把全部核彈部署到推進(jìn)航段上，也不能圖省事影響飛船的最終速度，使其不能盡早與三體艦隊(duì)接觸。

4、輕舟一葉翔天宇：從核爆動(dòng)力到光壓驅(qū)動(dòng)

在《三體3》的“階梯計(jì)劃”中，人類舉全球之力，發(fā)射了一艘輻射帆飛船，它先后承受了上千次核爆的力量，將云天明推往三體艦隊(duì)的方向。輻射帆這個(gè)概念絕非無稽之談，其身世最早可追溯至科學(xué)革命時(shí)期。

四百年前，開普勒就曾經(jīng)提出利用帆船來探索星空的設(shè)想。他猜測(cè)彗星尾部會(huì)受到某種微弱“太陽風(fēng)”的吹拂，于是設(shè)想可以利用這種風(fēng)來推進(jìn)帶帆的飛行器，就像海風(fēng)推動(dòng)帆船一樣。盡管開普勒關(guān)于太陽風(fēng)的解釋后來被證實(shí)是錯(cuò)誤的，但后世的科學(xué)家們卻由此受到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)太陽光確實(shí)可以施加足夠的作用力來移動(dòng)物體。

太陽光的力量十分微弱，在地球軌道上，每平方公里表面接受的太陽光壓才有4.55牛頓，也就是一個(gè)蘋果的重量而已。雖然力量微弱，但太陽帆提供的推力貴在持久。只要有陽光照耀，它就可以一直工作，在太陽光的壓力下緩慢加速，并通過調(diào)整帆面相對(duì)太陽的角度來控制速度及方向。日復(fù)一日，年復(fù)一年，太陽帆總有一天會(huì)達(dá)到驚人的高速度。

這一天也并不遙遠(yuǎn)，假如有一艘帆面7萬平方米的太陽帆飛船，飛船質(zhì)量是500千克，那么它離開地球軌道時(shí)每秒的速度增加值是1毫米/秒，但日積月累，等到抵達(dá)火星軌道時(shí)，時(shí)間才過去284天。算下來這個(gè)速度比許多化學(xué)火箭還要快。

太陽帆飛船，可能實(shí)現(xiàn)嗎？

太陽帆飛船已不再是停留在藍(lán)圖上的構(gòu)想，不少國(guó)家都在進(jìn)行太陽帆飛船試驗(yàn)。在《三體》故事中，程心提出階梯計(jì)劃構(gòu)想后，行星防御理事會(huì)戰(zhàn)略情報(bào)局（PIA）的專家展開了熱烈的討論。一位曾主持“那次”失敗的太陽帆試驗(yàn)的俄羅斯專家指出：

“輻射帆可以做得很薄很輕，按現(xiàn)有的材料技術(shù)，五十平方公里的面積可控制在五十公斤左右，這么大應(yīng)該夠了。”（《三體3》144頁）

“那次”失敗的試驗(yàn)應(yīng)該是指第一艘太陽帆飛船“宇宙1號(hào)”試驗(yàn)?！坝钪?號(hào)”由美國(guó)行星學(xué)會(huì)、俄羅斯科學(xué)院和莫斯科拉沃奇金太空工業(yè)設(shè)計(jì)所花費(fèi)數(shù)年聯(lián)合建造而成，重50公斤，由8片長(zhǎng)度為15米的三角形聚酯薄膜帆板組成花瓣形，帆板總面積600平方米。每張帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋還薄，但它們異常牢固，并且表面上涂滿了高效反光物質(zhì)。帆板與支撐桿的結(jié)構(gòu)就像直升機(jī)旋翼一樣，可以通過調(diào)整來改變飛船的飛行方向和速度。

據(jù)計(jì)算，在陽光微弱的壓力推動(dòng)下，“宇宙1號(hào)”太陽帆將會(huì)以每秒1毫米的速度慢慢地加速移動(dòng)。在帆面展開24小時(shí)后，太陽帆的速度將增至每小時(shí)100英里；到第100天時(shí)，它的速度將達(dá)到每小時(shí)1萬英里。如果“宇宙1號(hào)”能持續(xù)飛行3年，速度會(huì)提升到每小時(shí)10萬英里，這是任何人造飛行器都沒有達(dá)到過的速度，相當(dāng)于目前飛得最遠(yuǎn)的“旅行者號(hào)”探測(cè)器飛行速度的3倍。

如果用“宇宙1號(hào)”來探測(cè)冥王星的話，可以在不到5年的時(shí)間里完成從地球到冥王星的旅程，而美國(guó)宇航局使用常規(guī)推進(jìn)技術(shù)探測(cè)冥王星的“地平線計(jì)劃”預(yù)期需要的時(shí)間卻是十多年。

2005年6月21日，“宇宙1號(hào)”于從位于巴倫支海水下的俄羅斯核潛艇上通過“波浪”運(yùn)載火箭發(fā)射升空。不幸的是，火箭在發(fā)射升空后83秒就與地面失去了聯(lián)系。

到目前為止，最成功的太陽帆試驗(yàn)是日本2010年發(fā)射的“伊卡洛斯”號(hào)試驗(yàn)太陽帆。2011年1月，完全依靠太陽能驅(qū)動(dòng)的“伊卡洛斯”已成功完成全部實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括利用陽光實(shí)現(xiàn)加速和改變軌道等。“伊卡洛斯”有一面對(duì)角線長(zhǎng)度20米的方形帆，由聚酰亞胺樹脂材料制成，厚度僅0.0075毫米。它在飛行中將不斷旋轉(zhuǎn)，依靠離心力使帆保持張力。

除了在太陽系內(nèi)飛行，太陽帆還可以作為恒星際探測(cè)器。因?yàn)槌杀镜?、飛行速度快，它是在低技術(shù)條件下飛出太陽系、飛向恒星空間的首選航天器。1984年羅伯特-弗沃德做出的工程分析表明，進(jìn)行長(zhǎng)期太空飛行的最佳方法是向一個(gè)大型薄帆發(fā)射大功率激光。

當(dāng)激光帆采用整體式圓盤布局并搭載1噸的有效載荷時(shí)，最大速度能達(dá)到光速的十分之一，飛抵半人馬座α星（這正是《三體》中地球人的死敵——三體人的故鄉(xiāng)）僅需40年或更少的時(shí)間。此時(shí)的光帆直徑為3.6公里，帆面材料為純鋁鏡面。

雖然光帆面積龐大，帆面支撐等技術(shù)要求較高，但較其他形式的恒星際飛船而言，光帆仍是技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上最容易實(shí)現(xiàn)的方案。據(jù)估算，如使用金屬鈹作為帆面材料時(shí)，上述飛行的耗電費(fèi)用為66.3億美元。這只相當(dāng)于阿波羅計(jì)劃投資的1/4而已。因?yàn)榈厍虼髿鈺?huì)使激光衰減，理想的發(fā)射站應(yīng)當(dāng)位于月球等天體。

如果未來能夠開采月球上的He-3資源并實(shí)現(xiàn)受控核聚變，發(fā)自月球的激光就可以射向宇宙深處的一葉孤帆。屆時(shí)，人類就真正地向深空跨出了一大步。

科幻中的帆飛船

1921年，俄國(guó)航天先驅(qū)齊奧爾科夫斯基（Konstantin E.Tsiolkovsky）提出了太陽帆的概念。1963年，阿瑟·克拉克出版了科幻小說《太陽帆船》，在小說中，主人公駕駛太陽帆飛船參加了從地球到月球的飛行競(jìng)賽，其景象頗似當(dāng)今流行的帆船比賽?？死说倪@個(gè)故事令太陽帆的概念深入人心。

阿瑟·克拉克的科幻小說《太陽帆船》中設(shè)想的太陽帆船

進(jìn)入21世紀(jì)，好萊塢科幻片《星球大戰(zhàn)前傳：克隆人的進(jìn)攻》中，杜庫(kù)伯爵乘坐一艘張著大帆的星際飛船離開吉奧諾西斯星球，從克隆戰(zhàn)爭(zhēng)的風(fēng)暴中逃脫。他乘著這艘飛船來到柯洛桑星球廢棄的郊外，會(huì)見了他的黑暗導(dǎo)師。這艘種子形的飛船外殼打開后可釋放出精致的太陽帆。星際間的高能粒子風(fēng)給太陽帆施加了強(qiáng)大的推進(jìn)力，使太陽帆船能高速航行。影片導(dǎo)演喬治·盧卡斯將它命名為吉奧諾西斯太陽帆船，這種外形奇特的交通工具與片中杜庫(kù)伯爵謎一般的性格正相符。

回到《三體》的世界，云天明乘坐的輻射帆是太陽帆/光帆的自然延續(xù)?？梢姽馐请姶泡椛涞囊环N，輻射帆則特指使用其它種類輻射驅(qū)動(dòng)的帆式飛船，包含這各種粒子和射線的核輻射自然可以驅(qū)動(dòng)輻射帆。只是這種帆飛船目前還處于概念研究階段。

小說里，為避免核爆輻射影響云天明的座艙，連接帆和座艙的帆索長(zhǎng)達(dá)五百公里（《三體3》58頁）。仔細(xì)分析我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，如此長(zhǎng)的帆索，彈性形變不可忽略。在脈沖式的核爆沖擊作用下，帆體和座艙會(huì)在帆索張力的作用下圍繞系統(tǒng)質(zhì)心來回振動(dòng)，飛行方向難以保持不說，甚至可能令飛船徹底損壞。大劉考慮到了這一點(diǎn)，他這樣安排該飛船的命運(yùn)：

“在木星軌道附近，階梯飛行器的一根帆索斷裂，飛行器偏離了預(yù)定航線……迷失于茫茫太空中?！?br />

令人神往的無工質(zhì)推進(jìn)

1、核聚變推進(jìn)

核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

進(jìn)入三體危機(jī)紀(jì)元后，為盡早造出核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，人類的可控核聚變項(xiàng)目設(shè)立了四個(gè)研究分支，分別按不同的研究方向進(jìn)行。在現(xiàn)實(shí)中，受控核聚變的常用方式有兩種，對(duì)應(yīng)這兩種方式，工程師提出了兩種核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案，它們各有優(yōu)劣：

（1）、磁約束聚變發(fā)動(dòng)機(jī)

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(qiáng)磁場(chǎng)來束縛它們，否則高溫離子體會(huì)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(dòng)機(jī)試驗(yàn)失敗的場(chǎng)景：

在人類太空艦隊(duì)的發(fā)展方向確定為無工質(zhì)輻射推進(jìn)后，大功率反應(yīng)堆開始進(jìn)行太空實(shí)驗(yàn)。這時(shí)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(chǎn)生的。核星爆發(fā)并不是聚變堆發(fā)生爆炸，只是反應(yīng)器的外殼被核聚變產(chǎn)生的高溫?zé)哿?，把聚變核心暴露出來。聚變核心像一個(gè)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(chǎng)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(gè)磁場(chǎng)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(dòng)機(jī)必須造得很大。

大劉的態(tài)度很明確：小說中，首次實(shí)現(xiàn)可控核聚變發(fā)電后，物理學(xué)家丁儀對(duì)章北海說：“我早就感覺到托卡馬克方式是一條死路，方向?qū)α?，突破肯定?huì)產(chǎn)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(dòng)機(jī)

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(chǎn)生超高溫，生成比磁約束聚變時(shí)密度更高的離子體，從而引發(fā)聚變反應(yīng)。

由于此時(shí)反應(yīng)時(shí)間非?？欤∪剂锨蜃陨淼膽T性就可以維持熱度足夠長(zhǎng)的時(shí)間來進(jìn)行反應(yīng)，所以無需強(qiáng)磁場(chǎng)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(shì)，可以不受大氣分子的干擾。從這一點(diǎn)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(jié)構(gòu)與功能也得在現(xiàn)有基礎(chǔ)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(dòng)機(jī)要輕。

穩(wěn)定功率輸出的可控核聚變雖然還未實(shí)現(xiàn)，但其原理是明確的，障礙只存在與技術(shù)領(lǐng)域。假以時(shí)日，定能取得突破。

目前的聚變反應(yīng)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(shù)問題解決后，小型的聚變反應(yīng)堆有可能被設(shè)計(jì)制造出來。

在探測(cè)三體艦隊(duì)虛實(shí)的“階梯計(jì)劃”進(jìn)行的同時(shí)，人類開始研究太陽系防御事宜。首當(dāng)其沖的問題就是，用什么動(dòng)力推進(jìn)龐大的太空戰(zhàn)艦？核聚變是當(dāng)時(shí)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(xué)燃料火箭思路的航天界實(shí)力派主張研發(fā)工質(zhì)推進(jìn)飛船，以核聚變能推動(dòng)有質(zhì)量的工質(zhì)，產(chǎn)生反推力推進(jìn)飛船。而太空軍則力主研發(fā)不需要工質(zhì)的輻射驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)圖

2、工質(zhì)推進(jìn)，還是無工質(zhì)推進(jìn)？

工質(zhì)推進(jìn)也許并不被看好

核能推進(jìn)的設(shè)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(guó)原子能委員會(huì)與NASA聯(lián)合實(shí)施了NERVA（火箭飛行器用核發(fā)動(dòng)機(jī)）項(xiàng)目，該項(xiàng)目主要研究工質(zhì)推進(jìn)核火箭，其原理是核反應(yīng)堆內(nèi)的核燃料產(chǎn)生熱量，推進(jìn)工質(zhì)流經(jīng)反應(yīng)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(zhì)兼冷卻劑。氫氣具有優(yōu)良的導(dǎo)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(dǎo)熱性能可與金屬材料相媲美，是最好的冷卻介質(zhì)之一，同時(shí)由于其分子量小而成為最優(yōu)良的推進(jìn)工質(zhì)。

1955年到1968年間，美國(guó)政府投資15億美元，在內(nèi)華達(dá)州核試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了多次核火箭測(cè)試，最后制出了重200千克、推力達(dá)到100噸的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可使宇航員乘坐通勤飛船在24小時(shí)內(nèi)到達(dá)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(dòng)機(jī)開始測(cè)試時(shí)，阿波羅登月計(jì)劃遭到了尼克松政府大幅度的預(yù)算裁減，將更多的宇航員送上月球和載人火星計(jì)劃被無限期推遲。1972年，已無用武之地的NERVA計(jì)劃被取消。

后來，航天工程師，載人火星計(jì)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(gòu)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(chǔ)在特殊設(shè)計(jì)的容器內(nèi)，通過幾何構(gòu)造或中子吸收的方法來保證其不達(dá)到核反應(yīng)所需的臨界質(zhì)量。推力通過加熱這些放射性鹽水來產(chǎn)生核裂變，并通過噴嘴排出產(chǎn)生推力。水在這里既作為中子減速劑也被當(dāng)作推進(jìn)工質(zhì)。

無論是用氫還是鹽水，工質(zhì)核火箭都無法擺脫工質(zhì)的束縛。核動(dòng)力雖給飛船帶來持久的續(xù)航力，但工質(zhì)的消耗卻令飛船難以遠(yuǎn)離補(bǔ)給站，就像蒸汽時(shí)代的鐵路機(jī)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(zhì)推進(jìn)飛船不過是個(gè)大火箭，要用超過三分之二的運(yùn)載能力運(yùn)載推進(jìn)工質(zhì)，且工質(zhì)消耗很快，這種飛船只能以行星基地為依托，在太陽系內(nèi)航行。這樣做，是在重復(fù)甲午戰(zhàn)爭(zhēng)的悲劇，太陽系就是威海衛(wèi)！”（《三體2》221頁）

無工質(zhì)核動(dòng)力推進(jìn)

《三體2》中對(duì)“自然選擇”號(hào)的描寫令人神往。大劉設(shè)想把核聚變產(chǎn)生的輻射能直接導(dǎo)向飛船后方，用反沖作用推進(jìn)飛船前進(jìn)。

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

“自然選擇”號(hào)是亞洲艦隊(duì)第三分艦隊(duì)的旗艦，擁有最新一代的無工質(zhì)聚變推進(jìn)系統(tǒng)，全功率推進(jìn)時(shí)，可以加速到光速的百分之十五。它的艦內(nèi)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)十分完美，能夠進(jìn)行超長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。（《三體2》327頁）

其實(shí)，早在四十年前，就有人提出了速度類似“自然選擇”號(hào)的無工質(zhì)核聚變推進(jìn)飛船構(gòu)想。

1970年，美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)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(shè)計(jì)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在每次核聚變時(shí)可釋放出約100億焦耳的能量，可實(shí)現(xiàn)每秒300公里的高速飛行。

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

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，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(shí)候，分布于燃燒室內(nèi)腔的幾十個(gè)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(yīng)，瞬間產(chǎn)生巨大的能量，推動(dòng)火箭高速向前飛行。

當(dāng)?shù)谝患?jí)火箭工作完畢后會(huì)自動(dòng)脫落，第二級(jí)火箭接著繼續(xù)工作，這兩級(jí)火箭可工作近4年的時(shí)間，能使火箭達(dá)到36000公里/秒的速度。

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

《三體》中，為了確立無工質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向，章北海使用了極端手段：狙殺固守工質(zhì)推進(jìn)思路的領(lǐng)頭人，并偽裝成隕石襲擊

3、巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，吞云吐霧遨游星際

在太陽系中，光壓和太陽風(fēng)無處不在，光帆飛船可以暢游無阻；在遠(yuǎn)離太陽的航天基地附近，核燃料可以適時(shí)補(bǔ)充，核動(dòng)力飛船的巡航半徑可以預(yù)期。要航行更遠(yuǎn)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(bǔ)給站，上面兩種推進(jìn)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(duì)究竟采用了什么辦法驅(qū)動(dòng)龐大的太空船呢？

大劉直接給出了答案。地球“三體組織”領(lǐng)袖葉文潔被捕后接受審訊時(shí)透露：

“三體飛船推進(jìn)的動(dòng)力是正反物質(zhì)的湮滅，飛船前方有一個(gè)巨大的磁力場(chǎng)，形成一個(gè)漏斗形的磁罩，用于收集太空中的反物質(zhì)粒子，這種收集過程十分緩慢，經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，才能得到供飛船進(jìn)行一段時(shí)間加速的反物質(zhì)數(shù)量，因此艦隊(duì)的加速是間斷進(jìn)行的，很長(zhǎng)時(shí)間的收集后才能進(jìn)行一次。”（《三體1》245頁）

葉文潔的“供述”對(duì)于21世紀(jì)的地球保衛(wèi)者沒有多少價(jià)值，因?yàn)樵缭凇凹t岸基地”尚未立項(xiàng)的1960年，人類就參透了三體第一艦隊(duì)的動(dòng)力之謎。那一年，在美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室工作的物理學(xué)家羅伯特·巴薩德（Robert Bussard）發(fā)表了一篇名為《星際物質(zhì)與星際飛行》的論文，里面構(gòu)想了一種全新的航天器推進(jìn)方式——飛船前方漏斗狀的收集器收集星際物質(zhì)中的氫元素，氫元素可作為飛船核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)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(lán)鯨張開大口過濾海洋中的浮游生物一樣。

這種航天發(fā)動(dòng)機(jī)被后人命名為“巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)”，其理論基礎(chǔ)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(zhì)。雖然這種物質(zhì)密度極低（每立方厘米約有100個(gè)氫原子），但聊勝于無。如果能采集無處不在的星際物質(zhì)作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，則飛船的理論續(xù)航能力可以達(dá)到無限遠(yuǎn)。

巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)想象圖

工作原理和重重障礙

目前得到公認(rèn)的巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是一種沖壓核聚變反應(yīng)堆，它利用巨大的電磁場(chǎng)（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(zhì)中的氫，飛船前方的漏斗吸入沿途的星際物質(zhì)，極高的相對(duì)速度和磁場(chǎng)作用使反應(yīng)物質(zhì)在核反應(yīng)腔中壓縮，直到溫度和密度足以發(fā)生核聚變。這樣產(chǎn)生的巨大能量再通過另一個(gè)磁場(chǎng)導(dǎo)引至發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣方向，并借反作用力原理推進(jìn)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(shí)間，速度即可達(dá)到光速的77%。在《三體》中，三體第一艦隊(duì)正是使用了巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，才能以十分之一光速飛行。

1974年，參與“代達(dá)羅斯”核聚變火箭計(jì)劃的阿蘭·邦德（Alan Bond）提出了巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)方案“RAIR”。該方案將收集到的氫作為反應(yīng)物質(zhì)而不是推進(jìn)工質(zhì)。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)子流被減速到一兆電子伏，然后引導(dǎo)質(zhì)子流轟擊鋰-6或硼-11。鋰-質(zhì)子聚變或硼-質(zhì)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(chǎn)生的能量被導(dǎo)入前方漏斗吸入的物質(zhì)中，被“加熱”的物質(zhì)高速噴出，驅(qū)動(dòng)飛船前進(jìn)。

“RAIR”另一種改型——“催化RAIR”發(fā)動(dòng)機(jī)的效率更高。當(dāng)進(jìn)入收集器的物質(zhì)流被壓縮后，人為加入一小塊反物質(zhì)。與核聚變相比，這種湮滅反應(yīng)的反應(yīng)截面更小，所需溫度也更低。據(jù)計(jì)算，要驅(qū)動(dòng)一萬噸重的飛船以1g加速度飛行，所需的反物質(zhì)催化RAIR發(fā)動(dòng)機(jī)直徑僅為3.5米！當(dāng)然，乘這種“微型”發(fā)動(dòng)機(jī)遨游宇宙，得自備足夠的反物質(zhì)供催化用。

巴薩德最初的設(shè)想是用機(jī)械方式收集氫。根據(jù)他的計(jì)算，為達(dá)到理想的1G加速度，質(zhì)量一千噸的飛船前方需要有面積達(dá)一萬平方公里的收集器。即便未來的材料科學(xué)取得巨大進(jìn)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(zhì)量也將達(dá)到二十五萬噸。

而且巴薩德假設(shè)星際物質(zhì)都是離子化的，本身帶有電荷，容易被磁場(chǎng)捕獲。實(shí)際上，恒星間的星際物質(zhì)主要是中性的原子與分子，磁場(chǎng)對(duì)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(gè)質(zhì)子（帶正電荷），可以被收集器產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(shí)體面積也可以大大縮小，只要保證磁場(chǎng)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(chǎng)都需要巨大能量，這個(gè)能量得事先預(yù)備。

磁漏斗也不像聽起來那么簡(jiǎn)單。因?yàn)榇帕€匯聚于漏斗進(jìn)口處，它們會(huì)把進(jìn)來的帶電粒子彈開，而不是將其拽入漏斗。結(jié)果就是，磁收集器就像一個(gè)磁瓶，收集了飛船前方圓錐區(qū)域的粒子，卻阻礙其進(jìn)入反應(yīng)堆。解決方案之一是制造脈動(dòng)磁場(chǎng)，模擬“張嘴”和“吞咽”的過程，但操作起來并不容易。

還有個(gè)問題是，大部分收集進(jìn)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(dòng)機(jī)只能在飛船達(dá)到一定速度時(shí)使用，只有做高速飛行時(shí)，收集器才能收集足夠多的燃料供沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。因此，需預(yù)先啟動(dòng)一個(gè)助推發(fā)動(dòng)機(jī)使飛船達(dá)到巴薩德發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的臨界速度——約為光速的6%——然后更具效率的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

星際間的塵埃顆粒對(duì)高速飛行的飛船船體是一個(gè)巨大威脅，除此之外，星際物質(zhì)中的帶電粒子也會(huì)給船員的健康和電子設(shè)備帶來致命的損傷。具體來說，以光速30%運(yùn)動(dòng)的一千克物體蘊(yùn)含的動(dòng)能相當(dāng)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(huì)因巨大的相對(duì)速度而被擊毀，而沒能被磁漏斗阻擋的帶電粒子則會(huì)形成高能粒子雨，損傷船員的DNA和精密電子設(shè)備。

正是由于這個(gè)原因，三體第一艦隊(duì)在穿越星際塵埃云時(shí)才會(huì)露出頹勢(shì)：

“隊(duì)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(shí)又減速了不少?！保ā度w2》p280）

——這些艦只都在塵埃顆粒及高能粒子雨點(diǎn)般的轟擊下垮掉了。

科幻中的巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

盡管巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)面臨諸多現(xiàn)實(shí)困難，但因其完全使用已知技術(shù)就可以達(dá)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(dòng)機(jī)”這個(gè)概念要拜美國(guó)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(dòng)機(jī)。

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(dòng)機(jī)的自動(dòng)探測(cè)器，隨著時(shí)間的推移，富人們也可以采購(gòu)這種發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)做航程推進(jìn)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(zhì)推進(jìn)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(dāng)星艦中儲(chǔ)存的氘減少時(shí)，收集器就會(huì)采集星際物質(zhì)中的氫，并將其轉(zhuǎn)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(zhì)拖曳問題都因?yàn)槌馑亠w行迎刃而解。

關(guān)于巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)遭遇星際塵埃云后失去減速裝置，進(jìn)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(duì)論的時(shí)間膨脹效應(yīng)，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(gè)小說的影響力非常之大，以至于美國(guó)國(guó)家航空航天局“突破推進(jìn)物理項(xiàng)目”主管馬克·米利斯（Marc Millis）離開航天局創(chuàng)立了一個(gè)組織“τ0基金會(huì)”專門研究超光速飛行。

4、高速星際航行的防護(hù)措施

對(duì)于長(zhǎng)期星際飛行來說，速度不是唯一需要解決的問題。由于代達(dá)羅斯在旅途中不能與地球進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，其本身必須擁有足夠的應(yīng)變能力才能保證順利走完全程。其中一個(gè)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(duì)穿越星際塵埃時(shí)，飛船數(shù)量減少了，有的飛船掉隊(duì)了，這就是星際塵埃的阻滯力量。“代達(dá)羅斯”的解決方案是在飛船前方設(shè)置50噸重、7毫米厚的鈹質(zhì)防護(hù)罩，并可以通過攜帶的大量“塵埃蟲”微型機(jī)器人在母船前方200公里處生成高速運(yùn)行的粒子防護(hù)云，以“自我犧牲”的方式掃除前進(jìn)道路上的障礙。如果有個(gè)別“漏網(wǎng)之魚”撞到了飛船，還可以利用小型遙控機(jī)械裝置“看守”在途中隨時(shí)修復(fù)。這樣一來，就可以避免三體艦隊(duì)的厄運(yùn)。

除了使用核聚變實(shí)現(xiàn)無工質(zhì)推進(jìn)外，核裂變也可達(dá)到這一效果?！逗藙?dòng)力火箭征服太空》一文曾介紹了“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(zhì)核裂變脈沖推進(jìn)。只不過這種推進(jìn)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(dá)羅斯計(jì)劃仍是論證最完備的核聚變火箭方案。它的構(gòu)想影響了許多科幻影片：從《異形》到《阿凡達(dá)》，從《Wall-E》到《沖出寧?kù)o號(hào)》，這些影片都把核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)作為推動(dòng)龐大飛船的“常規(guī)”推進(jìn)方式。

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

代達(dá)羅斯計(jì)劃飛船藝術(shù)圖。飛船使用核聚變推進(jìn)，目標(biāo)是6光年以外的巴納德星，并用50年的時(shí)間到達(dá)那里。

終極曲率驅(qū)動(dòng)！

在《三體》小說引述的“紅岸工程”文件中，把科學(xué)基礎(chǔ)理論研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù)分為兩種模式：漸進(jìn)型和突變型。

其中，宇航技術(shù)的發(fā)展與突破屬于漸進(jìn)性，核武器的出現(xiàn)屬于突變型（《三體1》p121）。這份文件載于20世紀(jì)60年代的《內(nèi)部參考》，受時(shí)代局限，科學(xué)家并未預(yù)料到宇航技術(shù)也可能迎來“基礎(chǔ)理論成果被迅速轉(zhuǎn)化為實(shí)用技術(shù)”的突變。曲率驅(qū)動(dòng)就是這樣一種突變。

來勢(shì)洶洶的三體第二艦隊(duì)之所以能夠后發(fā)先至，就是因?yàn)槿w文明出現(xiàn)了技術(shù)突變，將曲率驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)用化：

地球人“對(duì)三體第二艦隊(duì)的觀測(cè)表明，曲率驅(qū)動(dòng)的宇宙飛行器加速到光速幾乎不需要時(shí)間，光速飛船有可能在幾十分鐘的時(shí)間里從地球航行到木星。”（《三體3》p330）

利用時(shí)空特性進(jìn)行光速乃至超光速飛行，絕非嶄新的概念。在20世紀(jì)60年代的科幻系列劇《星際迷航》中，超光速飛船的推進(jìn)裝置叫做“曲速引擎”。

影片中，只見星艦艦長(zhǎng)一聲令下，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，飛船前方的星星都被拉成細(xì)線。片刻之后，星艦出現(xiàn)在遙遠(yuǎn)的目的地，速度比光速還快……

《星際迷航》中的曲率驅(qū)動(dòng)飛船

曲率驅(qū)動(dòng)的原理

要理解空間曲率（或曲速）驅(qū)動(dòng)的原理，不妨設(shè)想這樣一幅場(chǎng)景：你和一只貓坐在一張地毯的兩端，貓以速度c（這也是它在地毯上奔跑能達(dá)到的最高速度）向你跑來，這時(shí)你以速度z猛然拽動(dòng)地毯，把地毯和在地毯上跑動(dòng)的貓一并拽到跟前。在拽地毯時(shí)，貓相對(duì)于你的速度是c+z——超過了c，但貓與貓腳下的地毯是一并移動(dòng)的，它并沒有超過自己在那塊區(qū)域的速度極限。

現(xiàn)在，把貓?zhí)鎿Q成飛船，把地毯替換成宇宙空間，把拽地毯的動(dòng)作替換成曲率驅(qū)動(dòng)，把c設(shè)為光速，你就得到了曲率驅(qū)動(dòng)的基本圖景。

曲速引擎的原理是將空間拉伸，這與蟲洞折疊空間正相反。

有趣的是，近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，科幻片中的曲速引擎竟然并不違反物理法則。

1994年，物理學(xué)家米基爾·阿庫(kù)別瑞（Miguel Alcubierre）提出可用波動(dòng)方式拉伸空間，使飛船前方的空間收縮而后方的空間擴(kuò)張，飛船在太空里“乘”著空間的“波浪”前進(jìn)。

這個(gè)“波浪”區(qū)間叫做“曲速泡”，里面是一塊平坦時(shí)空。飛船在泡內(nèi)并非真的在移動(dòng)，而是被泡帶著走，并不違反物理學(xué)中的“光速最快”限制。

目前還不知道怎樣引發(fā)這樣的波動(dòng)，或是一旦引發(fā)了，飛船該怎么離開它，因此，阿庫(kù)別瑞發(fā)動(dòng)機(jī)仍屬于理論概念范疇。

對(duì)此，美國(guó)國(guó)家航空航天局突破推進(jìn)物理項(xiàng)目的前主管馬克·米利斯指出，在宇宙大爆炸后早期的快速膨脹期間內(nèi)，時(shí)空以遠(yuǎn)高于光速的速度向往膨脹：“如果大爆炸能做到，為什么我們的飛船做不到？”

答案在于能量。宇宙大爆炸具有開天辟地的能量，如果人類也能掌握這種能量，拉伸空間就不是難事。

在《星際迷航》中，飛船首先使用曲速線圈產(chǎn)生“子空間場(chǎng)”，當(dāng)其呈現(xiàn)不對(duì)稱蠕動(dòng)形式并達(dá)到一定場(chǎng)強(qiáng)之后，會(huì)成為“曲速場(chǎng)”。此時(shí)飛船就處在曲速泡中，從而完成超光速的星際旅行。至于其中的具體技術(shù)細(xì)節(jié)，只有天知道。

細(xì)細(xì)推敲起來，《三體》中的曲率驅(qū)動(dòng)與在《星際迷航》里出現(xiàn)、又經(jīng)阿庫(kù)別瑞闡發(fā)的曲速驅(qū)動(dòng)并不完全一樣。大劉寫道：

“一艘處于太空中的飛船，如果能夠用某種方式把它后面的一部分空間熨平，減小其曲率，那么飛船就會(huì)被前方曲率更大的空間拉過去，這就是曲率驅(qū)動(dòng)。曲率驅(qū)動(dòng)不可能像空間折疊那樣瞬間到達(dá)目的地，但卻有可能使飛船以無限接近光速的速度航行。”（《三體3》p301）

可見，《三體》里只承認(rèn)“無限接近光速”的扭曲空間飛行，沒有涉及超光速的曲速飛行。

2008年7月，美國(guó)貝勒大學(xué)的兩名物理學(xué)家宣布，人類可以借助巨大的能量控制更高的維度，并最終開發(fā)出速度可以超過光速的曲率驅(qū)動(dòng)飛船。

其中一位物理學(xué)家格羅德·克里夫（Gerald Cleaver）認(rèn)為，可以根據(jù)廣義相對(duì)論和弦理論研制出這種曲率驅(qū)動(dòng)飛船。宇宙大爆炸發(fā)生后的很短時(shí)間內(nèi)，空間構(gòu)造的運(yùn)行速度比光速要快，航天工程師所要做的只是在飛船四周重建這個(gè)宇宙膨脹期而已。

盡管這個(gè)提法在理論上沒有破綻，但接下來的問題是如何擴(kuò)充飛船后面的空間和縮小飛船前面的空間。

克里夫和他的合作者理查德·奧伯斯（Richard Obousy）認(rèn)為，通過操控11維空間就可以構(gòu)造出這種能否拉伸的空間。11維空間是M理論（弦理論的后繼理論）中的一個(gè)特殊構(gòu)想。如果飛船背后的11維空間能縮小，那么就可以構(gòu)造出包含暗物質(zhì)的氣泡，這些暗物質(zhì)能隨著時(shí)間的推移而使宇宙加速運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，在飛船前面擴(kuò)充11維空間能夠降低光的速度。

這兩個(gè)步驟需要獨(dú)立進(jìn)行，但是如何對(duì)11維進(jìn)行擴(kuò)充和縮小，目前還不得而知。

克里夫表示：“這些計(jì)算是基于一些相當(dāng)超前和令人感到陌生的技術(shù)。使用這些技術(shù)并借助巨大的能量，我們就可以操控更高的維度?！?/p>

科學(xué)家們目前需要測(cè)算所需能量的大小，在技術(shù)允許的情況下，改變維度需要1045焦耳能量。根據(jù)公式E= mc2，這些能量需要將整個(gè)木星的質(zhì)量都化成純能量才能獲取，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)前人類能夠掌控能量級(jí)別。

內(nèi)在矛盾的局限性

曲率驅(qū)動(dòng)堪稱“終極”航天推進(jìn)方式。但完美之物并不存在，它也有發(fā)明者未曾預(yù)料的局限性，其中，航跡暴露便是大劉設(shè)想出的一個(gè)主要弊端。

防范三體人來襲的人類觀察者發(fā)現(xiàn)，三體艦隊(duì)顯然能夠在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到或脫離光速，但它們卻不敢在三體星系或太陽系附近這么做。艦隊(duì)起航后，用了整整一年時(shí)以常規(guī)速度航行，直到與三體星系相距六千個(gè)天文單位時(shí)才進(jìn)人光速;在距太陽系同樣距離處脫離光速降至常規(guī)推進(jìn)速度。這段距離光速航行只需一個(gè)月，艦隊(duì)卻不惜再花一年的時(shí)間用常規(guī)推進(jìn)航行。這樣，第二艦隊(duì)的航行時(shí)間比完全光速航行整整多出了兩年。（《三體3》p147）

能想到的解釋只有一個(gè)：這是為了避免四百一十五艘飛船進(jìn)入光速時(shí)對(duì)兩個(gè)世界產(chǎn)生影響?！粋€(gè)顯而易見的事實(shí)：曲率驅(qū)動(dòng)飛船在進(jìn)人光速的加速段會(huì)留下航跡。三體第二艦隊(duì)用了一年時(shí)間進(jìn)行常規(guī)航行，在距母星系遠(yuǎn)達(dá)六千個(gè)天文單位時(shí)才啟動(dòng)曲率引擎進(jìn)人光速，是為了避免因曲率驅(qū)動(dòng)航跡暴露母星文明。第二艦隊(duì)在距太陽系六千個(gè)天文單位的遠(yuǎn)方就匆匆脫離光速也是這個(gè)原因。（《三體3》p335）

時(shí)空扭曲會(huì)使光線“彎曲”，透過曲率驅(qū)動(dòng)航跡觀察后方天體，會(huì)產(chǎn)生哈哈鏡一樣的扭曲效果。這種扭曲將暴露曲率驅(qū)動(dòng)飛船的航跡。

更可怕的是：

“在曲率驅(qū)動(dòng)的航跡上，空間的結(jié)構(gòu)也被改變了，如果把同樣的第二艘曲率驅(qū)動(dòng)飛船放在第一艘飛船的航跡范圍里，它將寸步難行。”（《三體3》450頁）

這將使宇宙的空間結(jié)構(gòu)變得支離破碎，大大限制了曲率驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模應(yīng)用。

除了會(huì)在科幻小說的時(shí)空中留下雪泥鴻爪外，現(xiàn)實(shí)世界的科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)這種曲率驅(qū)動(dòng)技術(shù)存在著不易克服的內(nèi)在矛盾。

2002年，有研究表明，對(duì)于進(jìn)入曲率飛行狀態(tài)的飛船而言，無法向“曲速泡”的前方發(fā)送信號(hào)，這就意味著宇航員將無法操控飛船。

這還不是最糟糕的。更新的研究顯示，曲率驅(qū)動(dòng)飛船很可能無法安全脫離超光速狀態(tài)。

2012年初，悉尼大學(xué)物理學(xué)院的幾位教授對(duì)阿庫(kù)別瑞曲率驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)，扭曲時(shí)空是有風(fēng)險(xiǎn)的。在超光速飛行時(shí)，與“曲速泡”所含能量相反的粒子將在泡前方堆積，有些粒子甚至?xí)M(jìn)入到曲速泡中，形成累積效應(yīng)，曲速泡飛行的距離越長(zhǎng)，前方堆積的粒子就會(huì)越多。

當(dāng)飛船最終到達(dá)目的地開始減速時(shí)，一路上積累的大量能量會(huì)在瞬間全部釋放，足以毀滅任何與其接觸的物體。

一直隱藏在曲速泡中的粒子也會(huì)對(duì)飛船本身造成威脅。比如，飛船在路過塵埃云時(shí)意外脫離了曲速泡，災(zāi)難性的碰撞就會(huì)發(fā)生；如果飛船在距離目標(biāo)行星過近的地方減速，意外釋放的能量會(huì)在瞬間把這顆行星從星圖上抹去。

盡管如此，能夠達(dá)到甚至超越光速的曲率驅(qū)動(dòng)堪稱航天推進(jìn)皇冠上的寶石，足以誘惑一切有實(shí)力的技術(shù)文明去探索，何況，它還是主動(dòng)逃脫“黑暗森林“打擊的最有效方式。

其實(shí)，星際飛船的速度越高，生存概率越高?！度w3》中有記載為證：亞光速的三體第一艦隊(duì)最終“建立了殖民地，就在距這里一百光年的范圍內(nèi)”。

還有：“金牛座附近爆發(fā)了一場(chǎng)大規(guī)模戰(zhàn)役，很慘烈，殘骸形成了一片新的塵埃云。我們可以肯定其中的一方就是三體第二艦隊(duì)，不知道另一方是誰，戰(zhàn)役的結(jié)果也不清楚?！?/p>

從這只言片語的描述可知，配備巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的三體第一艦隊(duì)盡管在塵埃云中損失慘重，但總算找到了生息之所；掌握曲率驅(qū)動(dòng)技術(shù)的三體第二艦隊(duì)雖然航跡暴露，至少也獲得了面對(duì)敵人拼死一搏的機(jī)會(huì)。若如小說中的地球人一樣，固步自封、壓制技術(shù)發(fā)展，只能連逃生的機(jī)會(huì)都葬送掉。

至此，《三體》三部曲里陸續(xù)登場(chǎng)的關(guān)鍵航天技術(shù)已基本“考證“完畢。地球人與三體人從分子間作用（化學(xué)火箭）起步，進(jìn)入原子核（核火箭）以及核子范疇（巴薩德沖壓火箭），最終達(dá)到物理學(xué)的基本層面——對(duì)時(shí)空本性的利用（曲率驅(qū)動(dòng)）。隨著他們對(duì)物理原理的利用越來越高超，航天器的速度也越來越高，直至超越光速。

從現(xiàn)實(shí)向科幻一路走來，涉及的科技原理愈發(fā)天馬行空，有些在工程上或許永無實(shí)現(xiàn)的可能，但窮盡科技的種種可能性，探討人在其中的命運(yùn)，恰是以《三體》為代表的科幻作品魅力之所在。