星際航行(航空航天)

星際航行是行星際航行和恆星際航行的統稱。行星際航行是指太陽系內的航行，恆星際航行是指太陽系以外的恆星際空間的飛行。不載人行星際航行已經實現，而恆星際航行尚處於探索階段。

基本介紹

• 中文名：星際航行
• 外文名：astrodynamics
• 分類：行星際航行、恆星際航行
• 宇宙範圍：約為100億光年
• 目前技術：不能實現恆星際航行
• 已實現：不載人行星際航行

簡介

星際航行（interplanetary and intersteller navigation）是行星際航行和恆星際航行的統稱。行星際航行是指太陽系內的航行，恆星際航行是指太陽系以外的恆星際空間的飛行。不載人行星際航行已經實現，而恆星際航行尚處於探索階段。已知太陽系最外層行星（冥王星）的軌道半徑為60億千米，而離地球最近的恆星（半人馬座比鄰星）與地球相距4.22光年，約合40萬億千米，其他恆星和星系的距離則更遠。人們現在能觀測到的宇宙範圍約為100億光年，用現在火箭技術所能達到的速度（20千米/秒）可以飛出太陽系，但不能實現恆星際航行。因為以這個速度航行到最近的恆星比鄰星約需65000年。太空飛行器只有達到接近光速的速度，恆星際航行才有實際意義。要使太空飛行器接近光速，必須把火箭的噴氣速度提高到接近光速。

星際航行導航和控制

探索發展

不載人行星際航行已經實現，而恆星際航行尚處於探索階段。如以冥王星的軌道作為太陽系的邊界，太陽系的半徑約為60億公里。除太陽外，離地球最近的恆星──半人馬座“比鄰星”的距離為4.22光年（1光年等於9.46×1012公里），約合40萬億公里，相當於地球到太陽之間距離的27萬倍，其他恆星和星系的距離則更遠。人們現在所能觀測到的宇宙範圍約為100億光年。用現代火箭技術所能達到的速度 （20公里/秒左右）可以飛出太陽系，但不能實現恆星際航行。因為以這個速度航行到最近的恆星“比鄰星”約需65000年，到天狼星約需13萬年。太空飛行器只有達到接近光速的速度，恆星際航行才有實際意義。要使太空飛行器接近光速，必須把火箭的噴氣速度提高到接近光速的水平。但是即使利用氫聚變反應產生能量轉化為動能，噴氣速度也只能達到光速的5%。以這樣的噴氣速度使太空飛行器速度達到0.8倍光速，則太空飛行器起飛時的質量將為太空飛行器質量的34.8億倍，這是無法實現的大質量比。

因此，只有一種火箭可能中選，那就是一位德國科學家在 1953 年提出的光子火箭。光子火箭的構造是這樣的：在火箭的尾端裝置了巨大的反射鏡，在正對其焦點的位置上使這種反應進行。這種反射鏡必須具有安全的反射率，否則在強烈光束的作用下，火箭體就會被熔化掉。對這種光子宇宙飛船來說，未能解決的問題實在太多了，可是誰也不敢斷言人類將來不可能造出這種飛行器來。所謂光子就是構成光的粒子，當然具有接近或達到光的速度。德國科學家研究的就是光子猛烈噴射所推進的光子火箭。這種光子火箭在理論上極接近光速，從而可被稱為最終的飛行器。

發展史

1957年10月4日蘇聯成功地發射了世界上第一顆人造衛星,從而開創了人類歷史的新紀元——星際航行時代。這個新時代的到來,標誌著人類幾千年勞動創造的天文學、數學、物理學、醫學以及一系列近代科學技術的綜合結晶和升華。也標誌著在地球上生活了幾千年的人類將要進人宇宙空間,開拓地外文明的開始。

從1957年10月到1961年4月不到四年的時間裡,人類共發射5顆人造衛星。對於火箭飛行技術、衛星姿態控制以及日地空間環境等一系列資料掌握得比較成熟以後,1961年4月12日“東方一號”衛星式飛船把把蘇聯第一個太空人一,加加林少校帶到了外層空間並安全地返回地面,從而第一次實現了人類飛向太空的理想。這是人類飛往太空的第一個里程——人類地外空間飛行。

本世紀60年代是人類開始進人太空的年代。自1961年4月12日到1969年7月13日,人類向外層空間發射載人的和不載人的衛星、飛船和宇宙探測器共938顆。在充分掌握了地月飛行軌道、地月飛行環境之後,1969年7月16日,阿波羅11號將美國太空人N.阿姆斯特朗、E.奧爾德林和M.柯林斯帶向了月球。同年7月20日,阿姆斯特朗和奧爾德林首次登上月球,從而將人類飛月的美麗幻想變成了現實.這是人類飛往太空的第二個里程——人類地月空間飛行。

明顯的標誌之一是舉世矚目的“空間巨人”,美國第一個實驗性空間站——天空實驗室”的出現。它在空間渡過了長達六年之久的黃金歲月。一批批太空人進人“天空實驗室”,在一個“複式外層空間接合器”的小艙內操縱著各種控制儀表,進行日地關係、地球環境等共412項科學研究。使用由八組鏡頭組成的巨大望遠鏡,觀測和記錄太陽紫外、紅外和X射線等各種活動圖像,共拍攝太陽照片182842張,使人類第一次看清太陽大氣的真面目。這一驚人的成就被譽為世界太陽物理學的重大事件,這些結果都是在地球上無法獲得的。

第二個顯著標誌是,星際航行事業的迅速發展推動了一門規模空前宏大的科學一一空間科學的誕生。空間科學是以日地系統整體行為研究為軸心,以空間天文學、空間物理學、空間化學、空間地質學、空間通訊科學、空間生命科學、空間醫藥學、空間材料科學和空間微重力科學為扇面而展開,從而構成了科學史上規模空前宏大的科學領域。這門科學將吸收和利用人類最先進的科學和技術成果去推動本科的發展。它的每一步成就都將是成為空間大國地位的重要標誌。

第三個顯著標誌是太空梭的出現。它是航天史上運載能力和技術的重大突破。代替了過去一次發射的運載火箭,而像飛機一樣地往返飛行。它能向地外空間軌道輸送衛星、回收舊衛星、打掃空間垃圾。太空梭出現的更大價值是使“天空實驗室”得以更換成永久性的軌道空間站。使人能長久地在外層空間工作和生活。太空梭方便地來回輸運,使人類能在空間軌道站上建造空間工廠、空間發電站、空間天文台、空間宇宙發射場以開發月球和行星,造福於人類。

現狀

現階段航天中使用的化學火箭發動機、核火箭發動機和電火箭發動機的噴氣速度只有光速的幾萬分之一。構想中的有可能用於未來恆星際航行的推進系統的有：①脈動式核聚變發動機：把核燃料做成很多細小的顆粒──“微型氫彈”,用雷射或粒子束加熱到極高溫度,引起微型氫彈爆炸，產生衝擊波和粒子流，使其向一定方向噴射，產生反作用推力。逐個點燃“微型氫彈”可獲得脈動式的持續推力。②星際衝壓式發動機：在恆星際太空飛行器前面裝一個巨大的收集器，在航行中不斷吸入星際空間的氫，利用氫的同位素氘為核聚變發動機提供燃料。但是這樣的收集器據計算直徑將達到數千公里。有人構想在太空飛行器前面造成一個大範圍的人工磁場，形成無形的收集器，用磁力線捕獲星際空間的氫離子。③光子火箭發動機：根據著名的愛因斯坦質能公式:能量=質量×光速^2，利用物質和反物質相互作用，其質量全部湮滅而轉化為光能。使質子與反質子在發動機中進行反應產生光子流,光子流以光的速度從火箭噴管噴出,產生反作用力，推動火箭前進，這就是光子火箭原理。光子火箭的構想早在1953年就提出來了，但是反物質的產生、貯存和使用，發動機的設計和控制，以及大面積反射鏡的製造都不是短時期內所能解決的問題。根據愛因斯坦的狹義相對論（另一部著作為廣義相對論），在以接近光速飛行的太空飛行器上，時間的進程遠比地球上慢，這個效應稱為時間延緩效應。設T是太空飛行器上的時間，Te是地球上的時間，V是太空飛行器的速度，C是光速，則有關係式： 例如：當V=0.9C時，T=0.436Te；當V=0.9999995C時，按照這個效應太空飛行器上的時間僅為地球上時間的千分之一。這樣一來就有可能在人的壽命期限內完成一次往返遙遠恆星天體的恆星際航行。（但是，霍金認為物體速度越快，本身質量越大。當速度接近光速時，質量會大的驚人。）

進展

在休斯頓召開的“百年星艦”恆星際航行計畫中，來自世界各研究機構的科學家、工程師、哲學家、心理學家以及其他領域的人士共同討論了人類在進行恆星際探索時所面對的問題，指出該計畫面臨的最大困難並非技術限制，而是人類本身。科學家希望以此推動宇宙飛船的革命性動力系統的研究、生命支持系統、飛船以及模擬生物圈的設計等，計畫得到了美國國防部高級研究計畫局(DARPA)資金支持。

對當今人類社會的研究（比如廢物利用、資源管理問題、交通堵塞等）可使科學家在著手進行恆星際空間飛行計畫中起到積極作用。進行數萬年以上的恆星際旅行需要進行“多代繁衍”才能保持人類的種子可播撒到另外一顆恆星系統中，這就需要超級宇宙飛船中可以融合自然生態系統和人類社會並長期共存，類似於一個完整的生物圈。科學家構想的未來宇宙飛船生態系統並不是一個封閉性的空間環境，而是開放的，通過核聚變產生類似太陽光的能量為整個生態系統提供能量，並在飛船中製造人造重力場，同時也嵌入了真正的生態建築的理念，每一個建造材料都是可再生的，可循環的。

星際航行

早在二十世紀六十年代，研究人員戈登·帕斯克（Gordon Pask）和斯塔福德·比爾（Stafford Beer）探討了在控制論試驗中使用生物和化學系統達到不同建築物質實體的效果，實現創新點。在過去的二十年，合成生物學、化學技術（設計、工程和生命系統技術）的進步使得我們可以打造出包括氣流、土壤和水環境等生物圈的基礎架構。傳統意義上，人體可以看做一個離散的結構，通過近年來遺傳分析和微生物的發現，我們的基因組中混雜著細菌和病毒的遺傳信息，我們身體中90%的細胞都與細菌有關，而且人體中存在大約三公斤的細菌細胞，它們幫助我們消化食物，參與免疫系統等。

因此在進行恆星際空間飛行的旅程中，飛船上的人類社會和自然生態系統需要實現可持續的發展 ，比如水環境的循環，通過吸收輻射和熱量再導入微生物的生態群落中。人類在進行長距離的星際航行需要面對資源、環境以及飛船社會結構等諸多問題，所有的一切都在以維持飛船上太空人的生命為目的，由此生命維持系統、甚至是在飛船上延續人類後代的技術都顯得至關重要。SETI（搜尋地外智慧）研究所的創始人、天文學家吉爾·塔特（Jill Tarter）認為“百年星艦”計畫是一場硬仗，我們要打造的是一艘能夠進行恆星際航行的宇宙飛船。