科學家或科幻作家都曾設想過哪些將載荷運送到近地軌道和深空旅行的方法？

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從《天堂之泉》的太空電梯到《星際穿越》的反重力公式，從《星際迷航》的曲率引擎到《海伯利安》的星門，先輩們假設了許多種走出地球和征服浩瀚太空的方式，它們都是基於什麼原理？實現的技術難點又是什麼？目前來看最有前途的技術是什麼？

入近地軌道：
1.化學火箭難點：比沖不夠，得帶許多燃料
2.太空電梯難點：碳納米管無法大規模生產；安全難保證
共同原理：克服重力做功+達到某軌道環繞速度（別打我，這是真的）
深空探測：
1.離子推進器
原理：電場加速被電離物質
難點：由於功率不足，儘管比沖很大，但推力極小（每秒噴出工質少）。可變比沖等離子火箭可以調大推力，然而……最好得有本事把核電的蒸汽輪機帶上去
2.核推進
原理：利用核聚變或裂變產生的輻射（微乎其微）和等離子體推進。或者加熱工質推進
難點：目前最可靠的是用核彈炸上去（獵戶座計劃），但現在大氣層禁止核試驗，且對飛行員有未知風險。帶達羅斯計劃用聚變小球溫和些，但慣性約束尚未實現。加熱工質還是受制於工質。反物質啥的暫時不可行。
3.光帆
原理：光子碰撞光帆加速
難點：慢炸了。合理的提速方式包括利用引力加速、在太空建立激光站，然後照過去。另外，到達目標後減速與變軌也是問題
4.星際衝壓發動機
原理：磁場收集星際間物質進行核反應
難點：隨手搞點氫就想聚變？氘、氚咱都玩不轉。以為自己太陽？這個思想很危險……（看尼采）另外，宇宙里氫很稀薄，得有夠快的行駛速度或夠大的磁網
共同原理：動量守恆……
太玄的不講，別問我怎麼曲率、蟲洞
興趣所在，純手打，就當是複習以前看的一本書了

2015.11.01更新畢

I.航天發射

一、太空電梯/齊氏塔
（Space Elevator/Tsiolkovsky tower）

圖片來源：百度百科

太空電梯的概念最初出現在1895年，由康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出。但是甚至就在幾年前，它還僅僅只是一種科學幻想，因為找不到一種合適的材料來製造足夠強度的纜繩。隨著近年納米技術取得的突破性進展，建造一部現實的空間電梯已經成為可能，預計其建造成本約100億美元，遠少於國際空間站或太空梭計劃的投資。

空間電梯由幾個部分組成：

平衡錘：平衡錘是一個比較重的物體，放置於同步軌道上方。設想中的平衡錘將是一個太空站，太空站和纜繩的系統質心應恰好處於同步軌道。

纜繩：纜繩用於連接地面與平衡錘，事實上稱之為纜帶可能更合適，因為如今的設計都傾向於使用一條扁長，像錄音帶那樣的帶子做為主纜繩。這條纜帶也不會是從頭到尾一樣粗的 -- 據計算在地球同步軌道處纜帶所承受的拉力最強，因此這地方會最粗，然後向兩邊變細來節省重量（請不要提來源請求，我並不會算∑(っ °Д °;)っ）。纜帶的材質問題是阻撓太空電梯發展的最大因素，人類已知的材料沒有一種能達到太空電梯所求的強度/重量比。部分納米材料在實驗室條件下已經初步滿足，但離應用還有很長一段路要走。

貨艙：貨艙用於裝載貨物，它可以順著纜繩在空間和近地端基地之間上下移動。最簡單的方法是在電梯上裝上動力裝置，帶動夾著纜帶的一組輪子轉動。能源可以從纜帶上取得，或用裝在艙內的發電機，但這會增加重量。有一種設想是在電梯艙上裝兩片反光板，然後從地面發射激光，利用光壓產生的壓力推動貨艙，但對激光的能量水平有比較高的要求，反光板的材料也沒有得到解決。

近地端基地：基本上是在赤道上，因為這樣從地球同步軌道上垂下來的距離最短。基座又有固定式和漂移式兩種設計方案

漂浮式：由於受到氣候的影響，不便設置於對流層以下，否則會在颱風或下雨作用下造成設備的不穩定。
固定式：固定式的比較容易完善周邊的硬體設施（發電器材、指揮所、太空港）等，這個比較好理解。

太空電梯基於什麼原理？

簡單粗暴的原理。

通天的巴別塔，是每一個人類潛藏在內心深處渴望征服自然的最高理想的實體具現，令人陶醉的暴力美學。

實現的技術難點又是什麼？

材料。電梯纜帶的強度/重量比要求遠超當前人類工業水平下的任何一種材料，材料成為制約太空電梯建設的主要難點。
安全。處在同步軌道附近的太空站會受到太陽風的影響，在月球和太陽的重力作用下將使繩纜將隨之搖擺不定，對運輸造成重大的安全隱患。搖擺不定的太空電梯將有可能撞上人造衛星（同步軌道的資源是有限的）或者太空垃圾殘骸，碰撞將有可能導致繩索斷裂乃至太空電梯失事。為此，太空電梯必須加裝推進器以穩定其致命的搖擺振動，但這又將增加電梯建造的難度和建造維護成本。

二、Slingatron迴旋彈射器/環膛炮[1]

圖片來源：果殼網

Slingatron計劃的概念十分簡單，就是使一個物體繞著固定的點旋轉，這樣能夠在不需要耗費太多能量的前提下達到足夠的速度。

計劃的主要實施者HyperV技術公司（HyperV Technologies Corp），已經通過Kickstarter對一個等離子推進器項目進行了投資。科研小組稱他們的裝備已經能夠使半磅重的物體以每秒100米的速度運動。而該技術公司的目標並不是讓Slingatron一步到位，而是先呈現一個能夠使半磅重的物體以每秒1000米的速度運動的模型。雖然這個速度遠遠小於宇宙逃逸速度，但以現代科技來說畢竟也是不小的進步。

迴旋彈射器主要通過離心運動和電磁原理對物體進行加速（類似於回旋加速器），不斷增加的旋轉圈使有效載荷達到可脫離地球的速度，而且物體的外形需要被設計成升力體結構等空氣動力學模塊，比如飛鏢的模樣，可以劃破空氣直接進入地球軌道。負責本項研究設計的HyperV技術公司稱之為「太空鐵路」，並投資25萬美元進行研究，目前研究小組已經建造了一個直徑一米的原型機，進行實物模擬。

下一步研究小組將研製出直徑為五米的驗證機，可以將一個0.5公斤重的有效載荷送入軌道。[2]項目對於發射笨重的貨物來說不是很現實，也不適用於人類或者敏感的器械，但是，卻可以用來運送水、食物或者其它一些對高加速度不那麼敏感的裝備，而每千克發射成本將會非常之低廉。

Slingatron的原理非常之簡單，與回旋加速器非常類似，不同的是在Slingatron裝置中運行的不是粒子而是被磁化後的貨物。

回旋加速器的基本構成是兩個處於磁場中的半圓D型盒和D型盒之間的交變電場。帶電粒子在電場的作用下加速進入磁場，由於受到洛倫茲力f=Bqv（其中B為磁感應強度，q為帶電粒子所帶電荷）而進行勻速圓周運動，每運動到兩個D型盒之間的電場時在電場力作用下加速，之後再次進入磁場進行勻速圓周運動。在不考慮愛因斯坦的狹義相對論時，由於在磁場中迴旋半徑R=mv/Bq與速度成正比，故當迴旋半徑大於回旋加速器半徑時，帶電粒子達到最大速度。

三、質量投射器/質量加速器Mass Driver

圖示為設置在月球表面的質量投射器
圖片來源：維基百科

質量投射器最初的理論出現於1897年的科幻小說《往金星的旅程》（A Trip to Venus），作者為John Munro。書中把質量投射器命名為電子槍（Electric gun），其形容為利用大量線圈在適當的時間改變磁性來得到發射物的加速。質量投射器是一種利用電磁加速工具，基本原理是利用反覆改變的電磁場來讓磁化了的物體加速並投射出去，原理和磁懸浮列車以及磁軌炮（電磁炮）相類似。

質量投射器於1976年出現測試原型機：Mass Driver 1，主要由美國的太空研究學院（Space Studies Institute）興建。其作用主要為測試電磁投射器的特性和實用性。

電磁投射器有兩種方式可以作為航天器的推進裝置：
第一種固定式的裝置為地面的巨型裝置，直接把航天器加速投射。
另一種方式則作為航天器上搭載的動力裝置，把大質量的物體投射出航天器外，根據動量守恆原理獲得反作用力作為推進之用。

固定式的質量投射器

因為地球的重力，使得興建質量投射器有著不少的困難。在濃密的大氣層中除了會因為空氣阻力而使投射出去的物體減速外，同時亦會使高超音速的物體在空氣磨擦下產生難以承受的高熱，難以達到第一宇宙速度（7.9 km/s）。因此計劃多為把固定式的質量投射器設置在月球這些沒有大氣層的小型天體表面。而在地球表面最理想的架設地點為高原山區空氣稀薄地帶，加速度可以控制在發射物能承受的程度，使投射器成一個角度射出帶載人航天器，飛船另有用於姿態調整的動力裝置。

在月球或小行星上設置的質量投射器計劃多為太空建設的一環，例如在拉格朗日點興建太空殖民衛星的計劃就有從月球設置質量投射器發射月球挖掘到的資源的計劃。

航天器搭載的質量投射器

由於質量投射器幾乎可以投射任何有質量的物質，因此在有著穩定電能供給的長距航行航天器上是一種頗為理想的選擇。利用質量投射器就能使用任何在宇宙取得的質量作為推進劑。

因為電能的輸出要多及穩定，因此現階段都以核動力的航天器為配搭設計。

這種航天器的缺點則是其投射出去的物質會以非常危險的速度前進，使得這種推進方式難以被使用在固定航道上面。對應的理論現在主要以只能發射粉狀物為主。但是因為動能還是存在，所以對該軌道的影響還是存在。更加主動的理論則是把質量以超越第三宇宙速的速度發射出去，好讓其脫離太陽系的重力井。

混合式的質量投射器

固定式的質量投射器把推進質量投射到太空船上面，太空船上的質量投射器再把這些質量發射出去。這樣的情況下，航天器就不必要自己去找尋投射的質量。這種系統還能夠同時輸送其他有用物資到航天器上，例如作為水、食物及電力來源的燃料或核燃料。

2010年12月12日，美國研發電磁軌道炮在海軍試射中，將電磁炮彈以音速5倍的極速射出200km，炮彈動能達32M J。滿打滿算也無法將1kg的有效載荷送入近地軌道（理論上每千克物體需要31.2M J，但高超音速運動物體在大氣層內會受到極大的空氣阻力）。

四、極音速天鉤Hypersonic Skyhook

圖示為HASTOL，改進版Hypersonic Skyhook
圖片來源：果殼網

相對於太空電梯在材料方面的困難和高昂的工程造價，1977年莫拉維克（Hans Moravec）提出了非同步軌道的旋轉運輸帶方案，或可以把它看做是一種長度更短的在低軌道做螺旋運動的太空電梯，其最下方自轉的環繞速度和軌道速度相抵消，使得在最低點的部分和貨物的相對運動速度為零。

2000年，博加爾（Bogar, Thomas J.）等人提出了一套更完善的設計方案HASTOL[3]（極音速飛機空間系帶軌道發射系統 Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch System），而另一種靜態的天鉤版本由工程師薩爾蒙（E. Sarmont）給出。[4]

Skyhook的中文資料實在是太少了，而NASA的網站並沒有找到Project Skyhook的詳細介紹...

所以只能從英文維基上扒了一點...各位湊合著看吧(′?ω?`)

A skyhook is a proposed momentum exchange tether that aims to reduce the cost of placing payloads into space. A heavy orbiting station is connected to a cable which extends down towards the surface. Payloads, which are much lighter than the station, are hooked to the end of the cable as it passes, and are then flung into orbit by rotation of the cable around the center of mass. The station can then be reboosted to its original altitude by electromagnetic propulsion, rocket propulsion, or by deorbiting another object equal in mass to the payload.

A skyhook differs from a geostationary orbit space elevator in that a skyhook would be much shorter and would not come in contact with the surface of the Earth. A skyhook would require a suborbital launch vehicle to reach its lower end, while a space elevator would not.

以下斜體字為本人拙劣的翻譯...

天鉤是一種設想中的動量傳遞裝置，旨在降低將有效載荷送入軌道的成本。在大質量空間站的下端聯接纜繩（tether），纜繩的下端延伸入大氣層（平流層以上吧，個人猜測...）。當纜繩的下端從大氣層內通過時，質量遠小於空間站的載荷可以被掛載在繫繩上。隨後纜繩帶著貨物繞著空間站與貨物的總質心旋轉，將載荷投入預定軌道。空間站可以在稍後以電磁推進、火箭推進的形式返回至原有軌道，甚至可以將軌道上同等質量的物體以相似原理拋離軌道以彌補損失的高度差。

與靜止的太空電梯不同的是，天鉤的總體結構相對來說將會很短，且不必與地表相接觸。天鉤需要一個能將載荷送入亞軌道的載具來將貨物掛載至纜繩上，然而太空電梯不需要。天鉤又有兩種設計方案：

靜態型（Non-rotating）

圖片來源：維基百科

A non-rotating skyhook is a vertically oriented, gravity-gradient-stabilized tether whose lower endpoint would not reach the surface of the planet when it is orbiting. As a result, it would appear to be hanging from the sky, hence the name skyhook.

靜態型天鉤整體結構垂直於地表，纜繩下端伸入大氣層內部而不與地表接觸。這樣從地上看來它就如懸在空中一般，由此得名天鉤。

This type of skyhook would start out as short as 200 km and grow to over 4,000 km in length using a bootstrap method that would take advantage of the reduction in launch costs that come with increases in tether length.

翻譯不能...大意是從工程學角度上說明發射成本可以很低

旋轉型天鉤

By rotating the tether around the orbiting center of mass in a direction opposite to the orbital motion, the speed of the hook relative to the ground can be reduced. This reduces the required strength of the tether, and makes coupling easier.

通過纜繩繞系統質心旋轉的方法，使其下端的線速度方向與整體結構的軌道運動方向相反，則纜繩下端與地面的相對速度得以降低。這使得纜繩的強度要求有所降低，也使得載荷的掛載更加容易。

原理圖，本來是gif但是知乎不支持，圖中的圓順時針滾動。

The rotation of the tether can be made to exactly match the orbital speed (around 7–8 km/s). In this configuration, the hook would trace out a path similar to a cardioid. From the point of view of the ground, the hook would appear to descend almost vertically, come to a halt, and then ascend again. This configuration minimises aerodynamic drag, and thus allows the hook to descend deep into the atmosphere. However, according to the HASTOL study, a skyhook of this kind in Earth orbit would require a very large counterweight, on the order of 1000–2000 times the mass of the payload, and the tether would need to be mechanically reeled in after collecting each payload in order to maintain synchronization between the tether rotation and its orbit.

不想譯了...這個坑可以不填嗎（手動再見）

五、發射環Launch Loop

這裡有一份中文的paper，從工程建設的角度全方面闡述介紹了發射環原理，我就不亂搬了。
發射環:一種地球到高軌道的低成本發射系統

六、星際列車Startram

圖片來源：維基百科

星際列車的方案來自美國布魯克海文實驗室的科學家（同時也是磁懸浮的發明者）James R. Powell，其原理與磁懸浮列車類似，通過超導電纜依靠磁場力使列車車體懸浮於軌道之上[5]。發射起始階段時星際列車將以2~3g的加速度被推入1000~1500公里長的密封真空管道中，並懸浮於軌道上前進，真空管道的絕大多數區域與海平面齊平，出口需高出海平面大約14英里。整個工程預計耗資44億美元，研究人員稱這項工程將使得人類工業出現一次徹底性的變革，這是因為此項工程的開發除了能將旅客以非常廉價的方式送入太空外，這項技術還可以應用於發展更加低廉的近地軌道太陽能發電站，來自太陽源源不斷的能源可通過類似的密封管通往地面，而且還可以建造軌道中轉倉庫，將小行星上開採的豐富礦產帶回地面。

原諒我的棄坑...這個同樣沒有中文資料，翻譯量是Skyhook的10倍不止(┙&>∧&<)┙へ┻┻
點擊這裡看原文(╭￣3￣)╭?StarTram

還是簡單介紹一下吧...通俗點說就是把火箭綁在軌道上發射，如圖：

但是既然是在軌道上運行的，科學家怎麼能滿足於昂貴不經濟的火箭動力呢？
於是就想到了磁懸浮技術，速度快且能量轉換率高

飛船最後在軌道末端以極高速度脫離軌道進入外層空間。但是毫無疑問的，這種發射裝置的建設幾乎存在和太空電梯完全一樣的問題，部分結構和材料的要求甚至要遠超太空電梯，而就運載能力而言Startram則比太空電梯要高出數倍至數十倍。

七、激光推進/微波推進Laser propulsion/Microwave propulsion

圖片來源：維基百科

激光推進的概念來自匈牙利物理學家Georgii Marx以及Eugene Sanger，1991年，Jordin Kare提出了激光熱發射系統概念，基本思想是人們可以在地面上向飛行器傳輸能量。利用地面上發射的激光或微波束推進火箭，替代傳統火箭上發生的爆炸性化學反應。2001年，Kevin Parkin提出了微波熱推進概念。如今，Kevin Parkin已成為NASA艾姆斯研究中心微波熱火箭項目領導人。他說：「成束推進系統有兩大優勢，其一是有效荷載高，其二是成本低。通常，傳統火箭的推進系統有三級，其有效載荷佔整體的3%。而成束推進系統將是單級的，其有效載荷佔整體的5%～15%。更高的有效載荷和可重複使用火箭，使成束熱推進擁有相對較低的成本。」激光束將飛行器送入軌道需要8～10分鐘，微波束則需要3～4分鐘。

Laser propulsion （你們點進去看就知道我為什麼棄坑了(*′Д｀*)）

八、太空噴泉Space fountain

圖片來源：果殼網

太空噴泉的概念來自於麻省理工的科學家明斯基與麥卡錫（Marvin Minsky, John McCarthy）以及莫拉維克，它和太空電梯一樣都是能夠延伸到同步軌道的裝置，有所不同的是，支撐太空噴泉的不是靜態的高強度材料，而是連續的、快速往複運動的投射珠，珠子在地面軌道內被加速之後射向空中然後再落回地面（為了減少動能的損失投射珠所處的軌道是真空的），用以支撐最頂部的發射平台和載荷，相對於太空電梯，太空噴泉的優勢在於材料方面的可行性，但劣勢是需要大量持續的能量來維持結構的穩定，且投射珠的動能對於整個裝置是個巨大的威脅。

Space fountain （棄坑理由同上）

九、反重力Antigravity

圖片來源：電影《第九區》，約翰內斯堡上空的外星飛船

反重力一詞常見於宇宙論和星體動力學。該詞的概念是希望能創造一個物體或者空間，可以不受重力影響。它並不是指一種失重狀態，例如自由落體或衛星運行，也不是指用別的力來平衡萬有引力，例如用電磁力或空氣動力；反重力的基礎緣由是指透過一種科技的干預，讓反重力的物體或者空間可以使引力場不復存在或者不會對物體或空間造成影響。反重力一般會在科學幻想中被提及，特別是在航天器推進器這一內容中。這種概念首次在赫伯特·喬治·威爾斯的科幻作品《凱浮萊特》、《月球上最早的人類》中出現，從此反重力成為幻想科技中最受歡迎的部分。

在人類首個數學化描述引力的文獻：牛頓萬有引力定律中，引力被描述成未知介質傳遞的外力。然而，在20世紀早期，牛頓的模型被更普遍和完整描述的廣義相對論所替代。在廣義相對論中，引力不是傳統意義上的力，是空間維度自身的一種特徵。這種幾何演算法通常情況下會產生互相吸引的「力量」。在廣義相對論的範圍里，反重力是非常不可能的，除非在非自然狀況下，但即使如此，反重力同樣不太可能產生。在廣義相對論對於一些特殊解釋上，術語「反重力」在有些時候被用來描述假設的無反作用力推進引擎，然而這些並不是太反引力。

現在有很多更新的理論增加到廣義相對論中，或者完全替代廣義相對論，其中一些理論是看起來是允許反重力類型的解決方案。然而，當前在被廣泛接受的物理學理論、實驗確認與主要的物理學相關研究中，反重力都是完全不可能的。

有趣的是，牛頓第三定律指出任何物體的懸浮都必須通過給另一物體施加作用力而受到反作用力，而現代物理學對電磁現象的研究已經證實牛頓第三定律在許多電磁現象中不適用。這就給利用電磁學原理製造不遵循牛頓第三定律的物體留下了機會。較簡單的情形是只要兩個動態點電荷滿足三個條件，它們各自受到的力就會指向同一方向，力的大小按正弦規律變化，合力不為零且穩定不變。這三個條件分別是兩個動態點電荷的電量按照正弦規律變化，平衡位置的電量為零；變化的相位相差四分之一個周期；並且這兩個點電荷之間的距離是波長的整數倍加四分之一個波長。如果使合力總是指向重力的反方向，那麼就削減或者抵消了重力，甚至得到更多的升力。該作用力沒有依賴於其他物體的支撐。這有利於製造人們想像中的類似於飛碟的飛行器。

II.深空宇航 (我突然發現這坑好大...)

比衝量(specific impulse)

比衝量」是動力學家衡量火箭引擎效率的一種標準量，它是火箭產生的推力乘以工作時間再除以消耗掉的總燃料質量。如果力和質量都用千克，比衝量的單位就是秒。可以理解為火箭發動機利用一公斤燃料可以持續多少秒一直產生一公斤的推力。
比衝量越高，火箭的總動力越大，最終的速度越快，典型的固體火箭發動機的比衝量可以達到290秒，液體火箭主發動機的比衝量則是300至453秒。

一、質量投射器Mass Drive（見上文）

二、離子推進器Lon Thruster（比沖：3000s）

圖示為安裝在深空一號上的NASA的2.3 kW NSTAR離子推力器正在噴氣推進實驗室里試驗，圖片來源：維基百科離子推進器，又稱離子發動機，為空間電推進技術中的一種。其原理也並不複雜，推進劑被電離成粒子，在電磁場中加速噴出。是目前已實用化的火箭技術中，最為經濟的一種，因為只要調整電場強度，就可以調整推力，由於比沖（specific impulse）遠大於現有的其它推進技術，因此只需要少量的推進劑就可以達到很高的最終速度，而既然太空船本身不需要攜帶太多燃料，總重量大幅減少後就可以使用較小而經濟的運載火箭。

其原理是先將氣態工質電離，並在強電場作用下將離子加速噴出，通過反作用力推動衛星進行姿態調整或者變軌任務。

高速噴出離子推力器具有比沖高、效率高、推力小的特點。與傳統的化學推進方式相比，離子推力器需要的工質質量小，系統可靠性高，是一種已經進入實用化的太空推進技術。

離子推進器將電能和氙氣轉化為帶正電荷的高速離子流，金屬高壓輸電網對離子流施加靜電力，離子流獲得加速度，加速後的離子使推進器獲得時速高達143201千米的速度，推動航天器前進。離子發動機的燃燒效率比常規化學發動機的高大約10倍。

相關技術已經應用到一些太空飛船上，比如日本的「隼鳥」太空探測器，歐洲的「智能1號」太空船和美國的」黎明號「等，而且技術已經取得了很大的進步。

離子推進器的突出缺點是它的推力很小，目前的離子推進系統只能吹得動一張紙（&<1N），無法使太空船脫離地表，而且即使在太空中也需要很長的時間進行加速。離子推力器目前只能應用於真空的環境中。在經過很長時間的持續推進後，將會獲得比化學推進快很多的速度，這使得離子推力器被用在遠距離的航行中。

可變比沖磁等離子體火箭VASIMR（比沖：3000~12000s）

圖示為VASIMR原理示意圖，圖片來源：百度百科

可變比沖磁等離子體火箭，即VASIMR（ Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket），是正在試驗的一種採用核動力（提供電力）的大功率推進器，它是一種既有很大推力，又有很高比沖的電火箭。
未來最有希望成為恆星際飛船推進器的可能就是VASIMR等離子火箭。這種火箭與一般的離子推進器稍有不同。普通的離子推進器是利用強大的電磁場來加速離子體，而VASIMR等離子火箭則是利用射頻發生器將離子加熱到100萬攝氏度。在強大的磁場中，離子以固定的頻率旋轉，通過射頻和磁場的共同作用進行離子迴旋共振加熱，達到所需要的溫度和密度。

三、核動力推進Nuclear Power Propulsion

資料來源：維基百科

每一種推進方式都可以單獨開一篇了...我只能給大家簡單介紹幾句

核動力飛船對於核動力的利用方式大致有三大類：

利用核反應堆的熱能：太空沒有水或者空氣這種介質，不能採用螺旋槳而必須利用噴氣的方式。反應堆中核子的裂變或者聚變產生大量熱能，我們將推進劑(如液態氫)注入，推進劑會受熱迅速膨脹，然後從發動機尾部高速噴出，產生推力。這種方法目前最容易利用。
直接利用來自反應堆的高能粒子：核反應會產生很多高速移動的粒子，這些高能粒子移動速度非常快，使用磁場可以控制它們的噴射方向。這和離子推進器的原理相似，從火箭尾部噴射出高速移動的粒子，從而使火箭產生反衝運動。這種方法的優點是推動比異常大，無需攜帶任何介質，持續性強。
利用核爆炸：這是一個大膽且瘋狂的方案，不再是利用受控的核反應，而是利用核爆炸來推動飛船，這已經不是一種發動機了，它被稱為核脈衝火箭。這種飛船將攜帶大量的低當量原子彈，一顆顆地拋在身後，然後引爆，飛船後面安裝一個推進盤，吸收爆炸的衝擊波推動飛船前進。這個在1955年被以獵戶座計劃(Project Orion)命名的項目，最初計劃攜帶2千顆原子彈，利用它把宇航員於1965年送往火星，1970年送到土星。船上可以裝載150人，以及數千噸的載重，使得他們生活相對很舒適。獵戶座計劃後來胎死腹中的原因之一，在1963年美蘇簽定禁止大氣層核試驗條約之後，獵戶座計劃研究於1965年終止。

四、反物質引擎Antimatter Engine

由於湮滅的產物是以接近光速運動的,所以飛船必須造得很長

由於反物質和物質如果相遇，將會湮滅，正反物質的質量將全部轉化為能量，按照愛因斯坦的質能公式 $E=mc^{2}$ 釋放巨大的能量，就目前所知道的所有物理反應而言，這是效率最高的燃料。我們可以比較一下每公斤星際飛船發動機燃料的效果，很理想的化學反應可以產生1×10^7焦耳的能量，核裂變產生8×10^13焦耳，核聚變產生3×10^14焦耳，而反物質的湮滅能產生9×10^16焦耳，是氫氧化學反應的1百億倍，太陽核心熱核反應的300倍。這種飛船的比衝量將是最高的，而推重比也可能是最高的，一片阿司匹林那麼大的反物質同物質湮滅產生的能量足以讓一艘飛船巡弋數百光年，而太空梭那麼巨大的燃料箱和推進器中的燃料完全可以用100毫克的反物質代替。此外，反物質發動機的一個好處是反物質的湮滅可以自發產生，不需要象核發動機中的核反應那樣需要許多條件，所以就不需要很大的反應堆，可以減輕飛船重量。

難點在於：

製造反物質：製造它太消耗能量了，因為我們目前還沒有其他製造反物質的辦法，所以只能把湮滅過程反過來，使用粒子加速器，根據愛因斯坦的質能轉換公式從能量中製造出反物質(以基本粒子的形態產生)。由於這個原因，現在全球每年才能製造出1百億分之一克的反物質，這點反物質還不夠加熱一杯咖啡。
儲存反物質：反物質只要遇到正物質立刻就會湮滅爆炸，所以我們無法使用任何正物質製作的容器來存放它，現在都是通過磁場來保存這些反物質基本粒子。使用最多的是超冷真空的彭寧離子阱(Penning trap)，這是種可以便攜運輸的反質子存放裝置，利用迭加電磁場來存放質子，但正電子難以用這種方式存放。

正電子和負電子湮滅只產生高能γ射線，這種高能γ射線是無法控制發射方向的，所以不適合作飛船燃料。而質子和反質子湮滅時，並不立即產生γ射線，而是產生3到7個介子，通常情況是3個帶電介子和2個中性介子，其中中性介子幾乎立刻轉化成高能γ射線，而帶電介子是有一定壽命的，正常半衰期是28納秒，但由於它們以光速94%的速度移動，所以半衰期延長到70納秒，並在衰變完畢前平均前進24米。是帶電的就好辦，我們就可以使用磁場控制它們的方向，讓它們同推進劑發生作用。這些帶電介子包含了湮滅的60%的能量，而這就是我們可以利用的能量。

反物質發動機的設計方案主要有四種，按照比衝量從低到高列出：

1) 固體核心：湮滅在一個固體核心的熱交換裝置內進行，產生的熱量將氫推進劑加到高熱，然後從噴口噴出，效率和推力都比較高，但由於原材料的原因，比衝量最多只能達到1,000秒；

2) 氣體核心：讓反物質同氫推進劑直接反應湮滅，產生的帶電介子以磁場控制並將氫推進劑加到高熱，但這樣會產生一些無法控制的γ射線，比衝量能達到2,500秒；

3) 離子漿核心：以比較多的反物質注入氫推進劑並湮滅產生高熱的離子漿，並以磁場來容納它們，然後將離子漿噴出產生推力，這樣同樣會產生一些無法控制的γ射線，但這種方式不受原材料的限制，比衝量可以很高，大約在5,000秒到10萬秒之間；

4) 粒子束核心(Beam Core)：直接一對一地湮滅，然後以磁場控制帶電介子並把它們直接從噴口噴射出去，由於這些介子的運動速度接近光速，發動機比衝量可能要超過1千萬秒。因為湮滅產生的帶電介子在衰變後變成半衰期更長的帶電μ介子，所以這個辦法完全可行。而且這個方式只需要反物質燃料，不需要推進劑，可以極大地減少飛船的負載。

設計方案

1) ICAN-II
ICAN-II(ion compressed antimatter nuclear II)是由賓州州立大學的反物質太空推進小組(Antimatter Space Propulsion team)設計的，這種方式使用了反物質和核裂變的結合，用反物質來引發裂變。方法是讓反質子撞擊裂變物質的原子核，並同原子核裡面的質子湮滅，產生的能量將使原子核分裂，其最終產生的能量要比普通的核裂變要大，估計去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等於10億分之1克)的反物質，遠遠少於粒子束核心反物質發動機的消耗量。

2) AIM之星
AIM是反質子觸發微裂變/聚變的縮寫(Antiproton Initiated Microfission/fusion)，按照賓州州立大學的設想，如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一點的反物質，就可以朝粒子束核心反物質發動機的方向前進一步，用反物質來加強裂變，從而加熱聚變燃料引發聚變。這種發動機對反物質的需要量增加了，但需要的裂變物質比較少，而且有比ICAN-II更高的比衝量，大約在61,000秒左右。他們把按這種方式設計的飛船稱為AIM之星(AIMStar)，如果能有30-130微克(1微克等於1/1000毫克)的反物質，AIM之星探測飛船能在50年內飛到歐特雲。

3) 聚變和反物質的結合
這是把反物質在比較近的時期投入使用的嘗試，不過需要比AIM方式再多一些的反物質。只有有足夠的反物質，我們就可以完全拋棄裂變過程，直接用反物質湮滅產生的能量來觸發慣性約束聚變，而不必象前面介紹慣性約束聚變時那樣使用激光。

4)反物質脈衝推進
用類似獵戶座的爆炸的方式來推進，正在美國航空航天局下屬的NIAC資助下研究反物質發動機的Hbar Technologies公司就設計了一種飛船，它和獵戶座一樣有個推進盤，不過這個推進盤是在前方，而且直徑只有15英尺(5米)，這種反物質飛船結構相當緊密。飛船向推進盤噴出反物質，反物質粒子和推進盤碰撞產生爆炸，而物質和反物質湮滅時將和帆上薄薄的鈾235塗層作用，產生少量的核裂變。這兩個反應組合起來能產生最大的爆炸，用這種方法加速，Hbar公司設計的飛船在四個月里能達到每秒116公里。

五、星際衝壓發動機Bussard Ramjet

星際衝壓發動機也叫巴薩德衝壓發動機(Bussard Ramjet)，因為它是美國物理家巴薩德(Robert W. Bussard)在1960提出來的，典型的巴薩德衝壓發動機其實也是一種核聚變發動機。

除使用光帆外，任何飛船都需要攜帶大量燃料，並浪費許多能量來運送這些燃料。光帆雖然解決了這個問題，但卻缺乏靈活性，難以進行隨意的加速減速和軌道調整。而使用星際衝壓發動機的飛船可以不犧牲靈活性而解決燃料攜帶方面的問題。因為核聚變的燃料氫在星際空間中到處都是，只要在飛行的途中把它們搜集起來送進反應爐中就可以了。

星際物質的密度是極其稀薄的，即使是密度相對大的星雲中的物質密度仍舊比我們在地球上製造出來的真空更稀薄。以氫原子計算，銀河系的星雲之間平均每立方厘米只有1個氫原子，而比較高密度的星雲也只能達到每立方厘米100個氫原子。所以這種飛船上需要安裝一個巨大的漏斗形氫採集器，按照巴薩德最初的計算，如果一個1千噸重的飛船以1g的加速度前進(1g加速度的好處是正好可以形成等於地球上重力的人造重力)，在高密度的星雲中就需要採集1千平方公裡面積上的燃料，而在低密度的星際空間需要採集1萬平方公里。這麼大的漏斗實在太過於巨大了，因此可以通過向前方發射激光或者電子束來將星際物質的外部電子擊開形成離子，然後利用磁場收集，這個磁場漏斗的延伸範圍甚至可以比巴薩德最初設計的漏斗更大，而實體漏斗本身則可以做得比較小甚至不要。

Alan Bond在1974年提出了對巴薩德衝壓發動機的一個改進型設計方案，被稱為衝壓增強型星際火箭Ram-Augmented Interstellar Rocket(RAIR)，這個方案中把收集的星際氫原子用作反應物料(reaction mass)而不是唯一的核聚變燃料，從而繞開了在氫熱核反應中遇到的困難。在這種星際衝壓發動機內部，注入的質子束(也就是被電離的氫原子)被減速到大約1百萬電子伏特，然後用它們轟擊用鋰-6或硼-11製成的標靶。鋰和質子或者硼和質子的聚變容易發生，而且比其它類型的熱核反應釋放出更多的能量，這些能量就施加於將被噴出發動機的物質流上，讓它們產生高速，從而增加推力；而在噴口那裡，當初讓注入的物質減速而產生的能量也被加回到噴出的物質流上。

甚至還有更高效的方式，被稱為催化型RAIR。在星際衝壓發動機內，當注入的物質流被壓縮後，加入一點反物質，其反應不僅比核聚變更劇烈，釋放能量更多，而且可以在低得多的溫度下發生。根據一種預期，釋放的能量可以讓1萬噸重的反物質催化衝壓增強型星際飛船以1g的加速度前進，而且只需要內徑3.5米的反應爐來保持每立方厘米1018個粒子的密度。但這個方案的缺點卻是要儲存大量反物質以用於星際飛行。
使用星際衝壓發動機的飛船快要到達目的地需要減速的時候，只要打開磁場，但不啟動發動機，就可以用磁場在行進中形成的阻力減速，而且還可以乘機囤積一些氫，以備飛船速度減到6%光速以下的時候使用。然後就可以象使用其他類型發動機那樣掉個頭，讓船尾朝前，啟動發動機減速，直到下降到適合的速度進入環繞目標的軌道。

應用難點

飛船的速度必須首先達到光速的6%才能讓發動機開始工作，因為只有達到這個速度，才能讓氫收集器收集到足夠的氫作為燃料；可是光速的6%，也就是每小時6400萬公里的速度對於現在的人類技術來說實在是個遙不可及的目標。
我們目前的技術無法使用普通的氫來進行熱核反應，所收集到的氫中，只有1%是適合能作為燃料使用的氫同位素氘和氚，也就是說絕大部分都是谷糠只有小部分才是米，這會讓加速度根本達不到1g，而可能僅僅是地球重力加速度的1/1000而已。
磁場漏斗的直徑需要高達5萬公里以獲取足夠的燃料，但當高速飛行的時候，這個磁場將產生巨大的拖滯效果，就如同我們推著一個大木盆游泳時的效果一樣，通過計算，這樣的飛船其實無法達到接近光速的速度，最多只能達到光速的16%，雖然這也是相當高的速度，但要想在宇航員有生之年環遊宇宙就成了泡影。
磁場如何運作也有難點，因為當磁場的磁力線在燃料收集口匯聚到一起的時候，磁場就開始把所有的離子彈開而不是繼續拉進來，結果這個磁場漏斗變成了個磁力瓶，把星際物質收到飛船前面變成一個圓錐體，但卻阻止它們作為燃料注入發動機。一個解決辦法可以是利用脈衝磁場，不斷展開和中斷，但這個應用方式卻有相當大的難度。
飛船需要提供大量能量給磁場以及電子束或者激光，對於一艘無人飛船來說，磁場要超過1千萬特斯拉(特斯拉：磁通量密度的國際單位，等於一韋伯/平方米)，產生這樣的磁場無疑需要巨大的能量，更不用提用來將大範圍的原子電離的激光或者電子束了。
星際物質中除了氫外還混合大量的其他原子以至分子，對於熱核反應會起什麼影響還不知道。

六、光帆Solar sail

圖示為「宇宙一號」發射流程

1924年，俄國航天事業的先驅康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（太空電梯設想的提出人）和其同事弗里德里希·燦德爾明確提出「用照到很薄的巨大反射鏡上的陽光所產生的推力獲得宇宙速度」。正是燦德爾首先提出了太陽帆——一種包在硬質塑料上的超薄金屬帆的設想，成為今天建造太陽帆的基礎。

使用巨大的薄膜鏡片，以太陽的輻射壓做為太空船推進力。輻射壓不僅非常小，而且與太陽距離的平方成反比，但不同於火箭的是，太陽帆不需要燃料。推進力雖然很小，但是只要太陽繼續照耀著，太陽帆就能繼續運作。

光是由沒有靜態質量但有動量的光子構成的，當光子撞擊到光滑的平面上時，可以像從牆上反彈回來的乒乓球一樣改變運動方向，並給撞擊物體以相應的作用力（光壓力）。很多人對太陽帆有一個誤解，以為它們在光壓的推動下只能遠離太陽而不能接近。而實際上，透過調整太陽帆的角度（類似帆船中的三角帆），使其加速度方向與在軌運行的速度方向相反，並透過減速降低軌道的能量，降低軌道高度。最終，太陽帆將以螺旋運動的方式接近太陽。

單個光子所產生的推力極其微小，在地球到太陽的距離上，光在一平方米帆面上產生的推力只有0.9達因（1牛頓=10^5達因）因此，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。由於來自太陽的光線提供了無窮盡的能源，攜有大型太陽帆的航天器最終可以以每小時24萬公里的速度前進。這個速度要比當今以火箭推進的最快航天器快4~6倍。即比第二宇宙速度快6倍，比第三宇宙速度快4倍。「宇宙一號」的光帆面積為530.93平方米，由光壓獲得的推力僅為2.2N。「宇宙1號」前後共嘗試發射兩次，第一次發射第三級火箭分離失敗墜毀。
第二次發射的航天器：

由8個15米長的超薄三角形聚酯薄膜帆組成，總面積達600多平方米，總重量為50千克，耗資400萬美元。

第二次發射，航天器升空後與地面失去聯絡，未能成功進入預定軌道

伊卡洛斯號

「伊卡洛斯」號（IKAROS）是由日本研製的世界上第一艘太空帆船（不算髮射失敗的「宇宙一號」）。「伊卡洛斯」號耗資3500萬英鎊，它是世界上第一艘同時利用太陽能電力和光子反推力進行星際旅行的太陽帆宇宙飛船。2010年5月21日，「伊卡洛斯」號隨同「曉」號金星探測器，由H-2A運載火箭同時發射升空，並且同時飛往金星。

不得不提的是，伊卡洛斯這個名字真是太棒了。「伊卡洛斯」是「由太陽輻射驅動的星際風箏船」（Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun）的英文縮寫，而伊卡洛斯之名又來源於希臘神話，神話中的「伊卡洛斯」由於過於靠近太陽，導致身上粘結羽毛的蠟融化而墜落。

「伊卡洛斯」號的帆約為14米見方，由聚醯亞胺樹脂製作，這種材料在手機基板中也得到應用。「伊卡洛斯」號的帆厚約7.5微米，相當於頭髮絲直徑的10/1左右。在火箭發射的時候，帆將會摺疊起來，收藏在直徑約1.6米的圓筒形機體外側。

以下是伊卡洛斯的發射事件：

IKAROS 於2010年5月21日於日本的種子島太空中心使用 H-IIA 火箭和破曉號金星氣象衛星一起發射成功。
IKAROS 每分鐘旋轉 20 至 25 次，直到2010年6月11日太陽帆完全展開為止。IKAROS 包含兩個小型的彈出式的攝影機 DCAM1 和 DCAM2。DCAM2 在太陽帆部署完成後於2010年7月14日開始拍攝太陽帆。
太陽帆於2010年6月10日部署完成。
在之後六個月前往金星的航行中，加速和姿勢控制的測試成功。2010年7月9日 JAXA 確定 IKAROS 是使用太陽帆進行加速，再於7月23日宣布姿勢控制成功。
IKAROS 在航行中持續以2 rpm 速度旋轉以提供 LCD 板控制姿勢時所需的循環時間

日本「伊卡洛斯」號太空帆船成功完成實驗任務

七、阿庫別瑞引擎Alcubierre Drive

阿庫別瑞引擎（Alcubierre drive），是一個推敲性的時空數學模型，可以仿造出科幻中星際旅行里的作為跨星際的超光速航行的工具——曲速引擎，因此才被俗稱為「曲速引擎」。阿庫別瑞引擎遵守廣義相對論中愛因斯坦方程，在這範疇下建立出一項特別的時空度規。物理學家米給爾·阿庫別瑞於1994年提出了波動方式展延空間，導致航行器（簡稱為「船」）前方的空間收縮而後方的空間擴張，前後所連成的軸向即為船想要航行的方向。船在一個區間內乘著波動前進，這區間稱為「曲速泡」（warp bubble），是一段平直時空。（三體中的光速飛船）既然船在泡泡內並不真的在移動，而是由泡泡帶著船走，廣義相對論中對於物體速度不可超過局域光速的限制就派不上用場。

雖然阿庫別瑞提出的度規在數學上是可行的（符合愛因斯坦的場域等式），但其計算結果可能沒有物理學上的意義，也不一定表示真的能夠建造這種裝置。阿庫別瑞引擎的假想機制暗示了負的能量密度，因此需要奇異物質才能使用。所以如果正確性質的奇異物質並不存在，則阿庫別瑞引擎就不能被建造出來。然而，在當初發表的論文上，阿庫別瑞聲稱（接著一段物理學家分析蟲洞旅行的論述之後）兩個平行的板子之間產生的卡西米爾真空可以滿足阿庫別瑞引擎的負能量需求（一開始這種裝置被認為會消耗太多負能量，直到Harold Sonny White[4][5]提出可以把曲速泡改成曲速環（warp ring）來減少能量需求）。另一個問題是雖然阿庫別瑞度規沒有違反廣義相對論，但廣義相對論並沒有包含量子力學的機制。一些科學家因此認為，阿庫別瑞引擎理論上允許回到過去的時間旅行，雖然廣義相對論理論上也允許回到過去的時間旅行，但結合了量子力學和廣義相對論的量子引力理論指出這種時間旅行是不可能的（見時序保護猜想），因此他們否定阿庫別瑞引擎的可能性。

對於熟悉狹義相對論中種種效應（諸如洛倫茲收縮、相對論性質量增加及時間展長）的人來說，阿庫別瑞度規有些獨到之處。既然處在度規中移動體積中心的船，其相對於局域平坦空間是靜止的，則相對論性質量增加或時間展長就不會發生。太空船上的時鐘進行的速率會和外界觀察者的時鐘一樣，而觀察者所測到的船質量不會增加，即使這艘船在他/她看來是在做超光速航行。此外，阿庫別瑞亦指出：即使船在加速，它仍然是航行在自由落體的短程線上。換言之，利用曲速來加速或減速的船永遠處在自由落體狀態，船員也感受不到一般加速下會出現的G力。龐大的潮汐力會出現在平坦空間體積的邊緣，因為該處會有很大的空間曲率，但透過合適的度規設計，這些區域可以被弄成很小，而不會影響鄰近的空域或星球。

III.寫在最後

本人只是普通的航天/科幻愛好者，曾有一段時間對航天技術特別感興趣。看了不少的相關資料，還有很多以前看過的東西因為當時沒有看後收藏好的習慣，現在都不知怎麼的找不到了，真的很可惜。這一篇答案花了我幾天的時間，我寫得很用心，算是給小時候的自己那個從未圓過的航天夢一點點慰藉。我相信每個人小時候都仰望過星空吧，仰望那個黑色安詳靜謐而美麗的世界。

謝謝觀看。

[1]The Project Slingatron
[2]Kickstarter &>&> The Slingatron: Building a Railroad to Space by HyperV Technologies Corp.
[3]Bogar, Thomas J.; Bangham, Michal E.; Forward, Robert L.; Lewis, Mark J. (7 January 2000). "Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch System" . Research Grant No. 07600-018l Phase I Final Report. NASA Institute for Advanced Concepts. Retrieved 2014-03-20.
[4]Sarmont, E. (October 1994). "How an Earth Orbiting Tether Makes Possible an Affordable Earth-Moon Space Transportation System". SAE 942120.
[5] "StarTram: A New Approach for Low-Cost Earth-to-Orbit Transport" (in .pdf). Retrieved April 23, 2011.

大劉的《地球大炮》，利用打穿地球的隧道，然後從一邊跳下去，前半段利用重力加速，後半段利用電磁加速，然後像炮彈一樣打向太空。當然，我們要先挖一個隧道。。。。

在珠峰的山坡上架上超級電磁炮，直接把載荷打到軌道上去。