从引力跳板到核弹跳板 - 《三体》科技探究：太空电梯、无工质推进、终极功率推动和其他

　　3、阶梯计划：从引力跳板到核弹跳板

　　所谓阶梯计划，是危机时代人类向来袭的三体舰队发射探测飞船的尝试。根据该计划，预先把大量核弹用传统的推进方式发射至太空，核弹逐个分布在飞船的最初的航线上。飞船在经过每一颗核弹的一瞬间，核弹在飞船辐射帆后面爆炸，产生推进力，因为核弹的每一次爆炸都使飞船的速度增加一级，很像在登一道阶梯，所以叫做阶梯计划。

　　这个计划是由《三体III》女主人公程心提出的，当时这个中国女孩正效力于行星防御理事会战略情报局（PIA）。

　　很久以后，程心在自传《时间之外的往事》中这样评价自己的计划：“火龙出水和连发弩都是把落后的技术以先进的方式组合起来，试图产生貌似超越时代的能力。……阶梯计划也难以把人类带入宇航新时代，它只是用当时的技术所进行的孤注一掷的努力。”

　　我们可以把这段文字看做程心的自谦，但这个巧妙的低技术组合的确产生了奇伟的效果，造就了人类有史以来最高速的飞行器。从这个意义上讲，大刘应为这个技术构思感到自豪。

　　引力跳板：借着引力，飞得更快

　　在现实中，的确有航天器不带燃料却能加速飞行的方式，这就是“引力跳板”技术。因为航天器是借助航线上经过的行星加速，所以引力跳板也被形象地称作“借力飞行”。

　　不知大刘是否参考了引力跳板原理，构造出“核弹跳板”+“辐射帆”的情节，用低技术组合的方式把自愿参与探测的云天明送出了太阳系。

　　只要飞船飞越行星的速度和位置合适，就能利用行星引力跳板加速，但能量不会凭空产生，利用引力跳板加速的航天器，是从哪里“借”来的动能呢？

　　行星并非真的静止不动，自转和公转使其携带了巨大的角动量。在太阳系整体角动量中，太阳自身的角动量只占2%，其它98%的角动量掌握在围绕太阳的星体手中。

　　当飞船切入行星轨道后，它也分得了行星的一部分角动量。转移的角动量体现在飞船飞出行星引力场时的速度变化中。

　　以太阳为参照物，此时飞船飞出行星的速度不仅改变了方向，也增加了大小。根据能量守恒定律，航天器增加的动能也就是行星减少的动能，只不过行星的动能太过庞大，小小的航天器分得的动能与之相比不过九牛一毛而已，并不会影响行星的运转。这就好比我们使用风力发电机从空气流动中获取能量，却不必担心风会因此停止一样。

　　引力跳板可以节省探测器所带的燃料，大大缩短行星际航行时间。如果航天器选择最经济的双切椭圆轨道飞行，飞向土星需要6年，飞向天王星需要l6年，飞抵海王星需要31年。而假如使用木星做引力跳板，飞抵土星只需3～4年，飞到天王星只需8～9年，飞抵海王星也只需12年。

　　“旅行者1”号和“旅行者2”号探测器就曾利用1982年“九星联珠”的机会，先后把木星、土星、天王星当作“跳板”，一次又一次地从木星跳到土星，又从土星跳到天王星，继而跳到海王星，成为探测行星最多的探测器。

　　1990年发射的“尤利西斯”号太阳探测器，在飞近木星之后借助木星引力，偏转90度而跳入太阳极区，对从未近距接触过的太阳两极进行了探测。

　　1997年发射的“卡西尼”号土星探测器质量太大，运载火箭无法将其直接发往土星，遂采用引力跳板。它两次掠过金星，而后又掠过地球和木星，最后才飞往土星。地球距土星只有12.5亿公里，“卡西尼”号的行程却达32亿公里。

　　2006年发射的“新视野”号探测器也借助木星飞向冥王星，若不绕过木星加速、直飞冥王星的话反而会多用四年时间。

　　《星际穿越》配套游戏里飞船利用引力跳板加速的一幕

　　核弹跳板，优势何在？

　　有读者会问：阶梯计划里把核弹逐个发射到预定位置并进行位置保持也需消耗火箭燃料，干嘛费这个劲？为何不把这些燃料攒到一起，把所有核弹和载有云天明的飞船一并发射出去？这样飞船可以把自身携带的核弹一个个丢到后面，逐个爆炸，推动飞船前进。如此利用燃料的效率不是更高吗？

　　其实不然。如果把所有N枚核弹都装在飞船上，变成一个整体发射，那么首枚爆炸的核弹需推进其余（N-1）枚核弹及飞船的质量，第二枚核弹需推进（N-2）枚核弹及飞船的质量……飞船携带的尚未爆炸的核弹成了阻碍飞船加速的“死重”，这当然不如每枚核弹只负责推进飞船效率高。

　　在对重量锱铢必较的航天工程师看来，宁可费些事把全部核弹部署到推进航段上，也不能图省事影响飞船的最终速度，使其不能尽早与三体舰队接触。

　　4、轻舟一叶翔天宇：从核爆动力到光压驱动

　　在《三体3》的“阶梯计划”中，人类举全球之力，发射了一艘辐射帆飞船，它先后承受了上千次核爆的力量，将云天明推往三体舰队的方向。辐射帆这个概念绝非无稽之谈，其身世最早可追溯至科学革命时期。

　　四百年前，开普勒就曾经提出利用帆船来探索星空的设想。他猜测彗星尾部会受到某种微弱“太阳风”的吹拂，于是设想可以利用这种风来推进带帆的飞行器，就像海风推动帆船一样。尽管开普勒关于太阳风的解释后来被证实是错误的，但后世的科学家们却由此受到启发，发现太阳光确实可以施加足够的作用力来移动物体。

　　太阳光的力量十分微弱，在地球轨道上，每平方公里表面接受的太阳光压才有4.55牛顿，也就是一个苹果的重量而已。虽然力量微弱，但太阳帆提供的推力贵在持久。只要有阳光照耀，它就可以一直工作，在太阳光的压力下缓慢加速，并通过调整帆面相对太阳的角度来控制速度及方向。日复一日，年复一年，太阳帆总有一天会达到惊人的高速度。

　　这一天也并不遥远，假如有一艘帆面7万平方米的太阳帆飞船，飞船质量是500千克，那么它离开地球轨道时每秒的速度增加值是1毫米/秒，但日积月累，等到抵达火星轨道时，时间才过去284天。算下来这个速度比许多化学火箭还要快。

　　太阳帆飞船，可能实现吗？

　　太阳帆飞船已不再是停留在蓝图上的构想，不少国家都在进行太阳帆飞船试验。在《三体》故事中，程心提出阶梯计划构想后，行星防御理事会战略情报局（PIA）的专家展开了热烈的讨论。一位曾主持“那次”失败的太阳帆试验的俄罗斯专家指出：

　　“辐射帆可以做得很薄很轻，按现有的材料技术，五十平方公里的面积可控制在五十公斤左右，这么大应该够了。”（《三体3》144页）

　　“那次”失败的试验应该是指第一艘太阳帆飞船“宇宙1号”试验。“宇宙1号”由美国行星学会、俄罗斯科学院和莫斯科拉沃奇金太空工业设计所花费数年联合建造而成，重50公斤，由8片长度为15米的三角形聚酯薄膜帆板组成花瓣形，帆板总面积600平方米。每张帆板的厚度比普通的塑料垃圾袋还薄，但它们异常牢固，并且表面上涂满了高效反光物质。帆板与支撑杆的结构就像直升机旋翼一样，可以通过调整来改变飞船的飞行方向和速度。

　　据计算，在阳光微弱的压力推动下，“宇宙1号”太阳帆将会以每秒1毫米的速度慢慢地加速移动。在帆面展开24小时后，太阳帆的速度将增至每小时100英里；到第100天时，它的速度将达到每小时1万英里。如果“宇宙1号”能持续飞行3年，速度会提升到每小时10万英里，这是任何人造飞行器都没有达到过的速度，相当于目前飞得最远的“旅行者号”探测器飞行速度的3倍。

　　如果用“宇宙1号”来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里完成从地球到冥王星的旅程，而美国宇航局使用常规推进技术探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

　　2005年6月21日，“宇宙1号”于从位于巴伦支海水下的俄罗斯核潜艇上通过“波浪”运载火箭发射升空。不幸的是，火箭在发射升空后83秒就与地面失去了联系。

　　到目前为止，最成功的太阳帆试验是日本2010年发射的“伊卡洛斯”号试验太阳帆。2011年1月，完全依靠太阳能驱动的“伊卡洛斯”已成功完成全部实验项目，包括利用阳光实现加速和改变轨道等。“伊卡洛斯”有一面对角线长度20米的方形帆，由聚酰亚胺树脂材料制成，厚度仅0.0075毫米。它在飞行中将不断旋转，依靠离心力使帆保持张力。

　　除了在太阳系内飞行，太阳帆还可以作为恒星际探测器。因为成本低、飞行速度快，它是在低技术条件下飞出太阳系、飞向恒星空间的首选航天器。1984年罗伯特-弗沃德做出的工程分析表明，进行长期太空飞行的最佳方法是向一个大型薄帆发射大功率激光。

　　当激光帆采用整体式圆盘布局并搭载1吨的有效载荷时，最大速度能达到光速的十分之一，飞抵半人马座α星（这正是《三体》中地球人的死敌——三体人的故乡）仅需40年或更少的时间。此时的光帆直径为3.6公里，帆面材料为纯铝镜面。

　　虽然光帆面积庞大，帆面支撑等技术要求较高，但较其他形式的恒星际飞船而言，光帆仍是技术和经济上最容易实现的方案。据估算，如使用金属铍作为帆面材料时，上述飞行的耗电费用为66.3亿美元。这只相当于阿波罗计划投资的1/4而已。因为地球大气会使激光衰减，理想的发射站应当位于月球等天体。

　　如果未来能够开采月球上的He-3资源并实现受控核聚变，发自月球的激光就可以射向宇宙深处的一叶孤帆。届时，人类就真正地向深空跨出了一大步。

　　科幻中的帆飞船

　　1921年，俄国航天先驱齐奥尔科夫斯基（Konstantin E.Tsiolkovsky）提出了太阳帆的概念。1963年，阿瑟·克拉克出版了科幻小说《太阳帆船》，在小说中，主人公驾驶太阳帆飞船参加了从地球到月球的飞行竞赛，其景象颇似当今流行的帆船比赛。克拉克的这个故事令太阳帆的概念深入人心。

　　阿瑟·克拉克的科幻小说《太阳帆船》中设想的太阳帆船

　　进入21世纪，好莱坞科幻片《星球大战前传：克隆人的进攻》中，杜库伯爵乘坐一艘张着大帆的星际飞船离开吉奥诺西斯星球，从克隆战争的风暴中逃脱。他乘着这艘飞船来到柯洛桑星球废弃的郊外，会见了他的黑暗导师。这艘种子形的飞船外壳打开后可释放出精致的太阳帆。星际间的高能粒子风给太阳帆施加了强大的推进力，使太阳帆船能高速航行。影片导演乔治·卢卡斯将它命名为吉奥诺西斯太阳帆船，这种外形奇特的交通工具与片中杜库伯爵谜一般的性格正相符。

　　回到《三体》的世界，云天明乘坐的辐射帆是太阳帆/光帆的自然延续。可见光是电磁辐射的一种，辐射帆则特指使用其它种类辐射驱动的帆式飞船，包含这各种粒子和射线的核辐射自然可以驱动辐射帆。只是这种帆飞船目前还处于概念研究阶段。

　　小说里，为避免核爆辐射影响云天明的座舱，连接帆和座舱的帆索长达五百公里（《三体3》58页）。仔细分析我们会发现，如此长的帆索，弹性形变不可忽略。在脉冲式的核爆冲击作用下，帆体和座舱会在帆索张力的作用下围绕系统质心来回振动，飞行方向难以保持不说，甚至可能令飞船彻底损坏。大刘考虑到了这一点，他这样安排该飞船的命运：

　　“在木星轨道附近，阶梯飞行器的一根帆索断裂，飞行器偏离了预定航线……迷失于茫茫太空中。”