中国即将发射火星探测器，未来载人登陆，有什么更好运载工具吗？

　　前几天我在文章《“超级2020”的超级预测 中国首次火星探测任务 飞行轨迹预判》，预测了，今年中国将首次火星探测任务的飞行轨迹，本文再跟大家预测一下，在可以期待的未来（本世纪内），有哪些运载工具有可能替代今天的运载火箭。

　　一、火箭推进器的运输成本太高

　　自从牛顿发表《自然哲学的数学原理》一书以来，人类就一直被经典力学的一个计算所困扰着。如果我们要把一个物体送入地球轨道，我们就必须使它达到第一宇宙速度7.9 km/s。当物体飞行速度达到11.2千米/秒时，就可以摆脱地球引力的束缚，飞离地球进入环绕太阳运行的轨道，不再绕地球运行。这个脱离地球引力的最小速度就是第二宇宙速度。各种行星探测器的起始飞行速度都高于第二宇宙速度。

　　然而，要想实现这样的速度，我们目前能采用的办法只有牛顿第三定律，即作用力与反作用力大小相等方向相反。也就是说，火箭必须自己携带燃料，这必然导致其重量增加，即发射成本增加。将一公斤的物体送入近地轨道的成本就要超过2万美元，到达月球差不多20万美元，而到达火星的成本是到达月球成本的10倍。

　　未来载人登陆火星，需要发射的有效载荷恐怕要超过500吨以上的重量，很显然，采用火箭推进器必然要承受巨大的经济压力，即使是大国恐怕也难以承受。所以，研发新一代低成本的载人运载工具就必须列入议事日程。

　　二、有哪些技术有可能成为备选方案？

　　2.1、激光推进技术

　　所谓的激光推进技术，其工作物质是装在火箭水箱中的水，可以通过小孔渗透到底部，利用在地面发射大功率脉冲激光照射火箭的底部，水在大功率激光束的照射下，迅速汽化产生微爆炸，爆炸产生的连续冲击波推动火箭上升。

　　目前，各航天大国都非常重视这项技术，投入了大量的人力、物力和财力进行专项研究。由于火箭并不携带任何燃料，所以，不存在运载火箭发生爆炸，产生灾难性事故的风险。

　　2.2、大炮方案

　　大炮方案其原理就跟火铳差不多，在凡尔纳的科幻小说《从地球到月球》、以及刘慈欣的《地球大炮》中都有类似的方案。这种方案就是要先制造一个长长的“炮管”，把要发射的物质做成弹丸放进去，然后点燃引信让燃料在炮管内发生爆炸，就可发射了。

　　由于这种方法中炮管可以重复使用，所以从长期使用效果来看，其成本很低，甚至比前面的激光推进技术的发射成本还要低。不过，这种方法的问题也是很明显的，那就是“弹丸”在发射过程中要承受的加速度实在是太大的，不是人体能够承受的，所以这种方法并不适合载人。

　　2.3、离心力方案

　　第三种实验性的火箭设计是“大型离心机”，这种方法其实就跟我们投链球差不多，就是利用旋转，在几秒钟内把载荷加速到很高的速度，然后再抛入天空。我们可以想象的是，通过这样的装置把载荷抛到外层空间，一定需要一个非常大的离心机，要比摩天轮还要大几百倍，同时还要解决一些列的工程技术性问题。跟“大炮方案”同样的是，这种方案也不适合载人。

　　其实，前面这三种方案都已经在科学家们的研究当中，实验性的测试单元都已经具备，目前也没有理论上的障碍，基础的数据也都得到了。如果资金能够到位，这三种方案都可以取得预期成果。

　　2.4、太空电梯

　　如果说，前面三种方法，有可能成为短期内火箭发射方案的替代方案的话，那么太空电梯，就是中长期的一个备选方案。

　　其原理也不复杂，就是一根挂在球上的绳子，让球旋转起来之后，离心力就可以防止它掉下来。如果这个球是运行在太空中，缆绳可以一直延伸到地面，那么沿着缆绳上升的电梯就能飞入太空了。

　　从这段描述上看，这种技术似乎可行。但遗憾的是，我们根据力学原理计算得到绳子的张力比钢的抗拉强度还要大，所以找到能制造这种绳子的材料，就成为解决这个问题的关键。

　　不过好在，现在有了纳米技术，科学家们研制的碳纳米管能够满足这个强度要求。虽然现在能够制造出来的碳纳米管的长度才几厘米，但是，在可以预期的时间内，制造足够长度的碳纳米管绳子是可以做到的。

　　除了绳子的问题，还有两个麻烦事也会对这个方案提出挑战。

　　第一个麻烦是，这根绳子连接天地，会与不少目前已经布置在地球周围的人造卫星轨道相交，如何避免相撞是一个大课题。

　　另一个麻烦是，这根绳子在地球上的连接点，要经受自然的挑战，飓风、雷暴等，太空电梯一端必须要固定在地球上，所以这一端应该如何设计，才能避免被强大的自然力破坏？

　　2.5、星际飞船

　　尽管冲出地球的困难重重，但是人类还是梦想着有一天能够在火星甚至是小行星上建立进入宇宙的前哨站。科学家们为星际飞船准备了几种设计方案和推进系统：太阳帆、核火箭、冲压式喷气聚变、纳米飞船、反物质火箭。

　　太阳帆和核火箭我们就不细说了，比较简单，咱们重点说后面三种。

　　冲压式喷气聚变发动机原理是在冲压式喷气发动机与核聚变相结合的思路上设想出来的。就是让飞船在星际航行的过程中，不断收集星际空间中到处可见的氢气，然后再利用核聚变的原理，让氢发生核聚变生成成氦并释放出大量的能量，引发爆炸产生推力。由于星际空间中的氢是取之不尽的，所以可以想见，这种发动机可以永久运行。

　　纳米飞船是受到了鸟群的启发。随着纳米技术的发展，现在庞大飞船的很多功能都是可以被缩小到纳米尺度之下，人类通过制造数以百万的纳米小飞船，把它们送入太空的成本就会很低。这些小飞船就可以像鸟群中的鸟一样，组合成超个体。科学家们希望它们能够代替人类探索宇宙。不过对于如何能制造出来第一个能自我复制的纳米小机器人，还是一个很遥远的事情。

　　反物质是宇宙中最强大的能源。所谓的反物质即物质的对立面，带有相反电荷；比如，一个电子带负电，其反物质是带正电的电子，它们相遇后就会发生湮灭，并释放出巨大的能量。即使仅仅有4毫克的反物质，就足够把我们送上火星。如果有100克反物质，就足够把我们送到比邻星了。

　　在同等质量下，反物质的能量是火箭燃料的10亿倍。现在的问题是，生产反物质非常的困难，因此经济性非常差，或者说，消耗掉全地球的资源才能生产出足够推动一架星际飞船的反物质。所以近期看，这个方案成本太高。

　　结束语

　　非常期待，在本世纪末，人类能够踏上火星，甚至到达小行星带，完成对太阳系内天体的探索。对于支持这些项目的火箭推进技术，我认为最有可能是在前文中提到的那些，其中可能性最高的是第一个：激光推进技术。不过也许未来的火箭是某种复杂的复合型发动机，也不好说。

　　对于未来火箭的推进技术，我就介绍到这里了，不知道其它小伙伴们，还有什么其它看法吗？欢迎在评论区留言参与。

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