【前沿物理】恒星际旅行可能的未来方式

This fabled technology converts the impulses of small nuclear detonations into thrust .
The small shaped-charge bombs each have a mass of 230 kg (including propellant) and a yield of a quarter kiloton ( 1 terajoule ). The fissile material is curium 245 , with a critical mass of 4 kg, surrounded by a beryllium reflector.  The soft X-rays, UV and plasma from the external detonation vaporize and compress the propellant to a gram per liter, highly opaque to the bomb energies at the temperatures attained (67000 K).

引自 Engine List - Atomic Rockets

在上世纪50年代的后期，弗里曼·戴森和泰德·泰勒等人就这个项目煞费苦心，但是没办法，1963年的《部分禁止核试验条约》（ P artial T est B an T reaty, PTBT ）直接中止了这个项目，合约中明确说明了不能在外层空间包括大气层、外太空进行一切核试验有关的活动。

图片来自 Project Orion

但是让我们假设，人类的生存条件危在旦夕，不得不使用这项技术了，并且现代的 热核装置 已经足够先进。把星际战舰总质量的3/4都腾给 300000颗当量1兆吨的氢弹 ，并在1个月内逐次逐个地引爆这些核弹，以1g的加速度来加速至 光速的10% 。

这样我们就可以在44年内到达到达南门二喽，假设我们不需要减速下来的话。实际上，高速航行的减速一直是很大的难题，一般需要使用一半的燃料进行减速，所以就意味着实际装载的燃料只能提供到5%的光速，不过那也没关系，还是可以在 90年内 完成这个单程的旅途。也就是说，需要 三代人 在星际战舰上的传承，并保证星际宝宝能安全的出生和成长。

图片来自 space babies

对于核弹的建造，我们早已不再陌生，其他部件不管难度如何，都不会阻拦这项科技成为 目前为止 ，在 短期内 最为 可行 的方案。

在未来，当具有更加复杂的磁性限制以及防止等离子体不稳的控制方案提出后， 轻小型的核聚变反应堆 就有可能发明出来，进一步提高比冲量、效率，减少燃料载量，比如·······

Option A——代达罗斯计划 （Project Daedalus）

代达罗斯计划是英国星际学会在1973至1978年之间倡导的研究计划，考虑使用无人太空船对另一个恒星系统进行快速的探测。其技术就是运用核聚变火箭推进，并且只要50年，在一个人的有生之年内，就可以抵达另一颗恒星。巴纳德星（除南门二之外距离太阳系第四近的恒星，公元 11800年 时，会距地球仅 3.85光年 ，那时它就会成了除太阳以外离地球最近的恒星）被选择为其中一个主要的目标。

图片来自 Project Daedalus

虽然是一个无人探测器，代达罗斯却重达5.4万吨，相当于半艘尼米兹级核动力航空母舰的质量，其中燃料的质量达5万吨，科学仪器质量只有区区的500吨。因为实在太大，所以这个探测器将在地球轨道上建造。代达罗斯探测器是个两级的飞行器，第一级工作2年，把它加速到 光速的7.1％ 。之后第二级工作1.8年， 把它加速到光速的12％ ，然后关闭发动机，在茫茫太空中巡航46年，最后到达目的地。因为在太空中要经受住极低温的考验，探测器外壳大量使用了铍，使飞行器在低温中仍然能保持结构强度。

引自 Project Daedalus

Option B——惯性约束聚变 （Inertial confinement fusion，ICF）

因为我的专业不是高能物理方向，把话语权暂时转给wiki吧：

惯性约束聚变 是一种核聚变技术，这项技术利用激光的冲击波使得通常包含氘和氚的燃料球达到极高的温度和压力，来引发核聚变反应。

以激光进行惯性约束聚变的图解。蓝色箭头代表激光；橘色代表固态球状核燃料向外爆裂的力量；紫色代表因激光热能而产生向内的惯性作用力。
1. 激光光束，或是以激光产生的X光，快速加热燃料球表面，在周围形成等离子体。
2. 燃料核因为表面爆裂产生向内的反作用力，遭到挤压。
3. 当燃料核的密度比铅还大二十倍，温度到达100000000 ˚C，进入最后阶段。
4. 压缩后的燃料核，产生的热量快速向外放射，发散的能量是激光光束加在燃料球上的数倍。

引自 Inertial confinement fusion

Option C- 可变比冲磁等离子体火箭 （Variable Specific Impulse Magnetoplasma

Rocket，简称VASIMR）

这种火箭其实是一种电磁推进器，利用无线电波电离并加热推进剂，同时加载一个磁场来加速产生的等离子产生推力：

图片来自 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket

VASIMR最早是被定位于空间托运用途，一般用于轨道转移交通工具。使用VASIMR加速后托运力可以达到34公吨——从低地轨道到低月轨道而只需要8公吨的氩气推进剂，而普通的化学火箭则需要60公吨的液氧-液氢推进剂。

使用高速档的VASIMR，其排气速度可以达到惊人的 294000m/s 。2004年，NASA Johnson Space Center的Advanced Space Propulsion Laboratory就写了一篇小科普，大家有兴趣可以去看看： http://web.mit.edu/mars/Conference_Archives/MarsWeek04_April/Speaker_Documents/VASIMREngine-TimGlover.pdf

但是，聚变只能把不到1%的静质量转化成能量，如果我们能做到接近100%呢？
这就是我们要谈的另一种选择·······

3.反物质引擎（Antimatter Drive）

反物质和物质一旦相遇，就会相互吸引、碰撞而 100%转化 为光并释放出的巨大的能量，这个过程叫做湮灭。如果把它们用作燃料，则能源效率极高无比。