让你做短视频，你科普黑暗森林 第164章 科幻引擎（一）

第二天，李水旺再次做新视频《科幻引擎》：

多年来，在关於人类未来以及太空殖民的整体討论中，我们已经回顾了许多太空飞行器设计方案，有些討论较为深入，有些只是一带而过，还有一些则出现在很久以前的节目中，如今已淹没在搜索结果里。我认为，今天我们可以在此基础上，罗列各类先进太空飞行器推进方法。这些方法要么已处於设计阶段，要么是广为人知的理论，甚至是科幻作品中经常被严肃探討的概念。

我还想指出，几乎所有这些想法都出自某人的智慧结晶，无论是科学家、科幻作家，还是两者共同的创作。为简洁起见，我们不会深入探討这些推进装置及其设计者的背景和生平，即便有些装置就是以设计者的名字命名的。这意味著，像马库斯?米利斯这样的人，他提出了许多假想推进系统的拓展方案，如偏差推进器、直径推进器、分离推进器、俯仰推进器等，却未能获得应有的讚誉。我只能说，儘管本期节目篇幅已很长，但仍有诸多內容被省略。对於那些希望超越这些简短条目、深入探索相关话题的人来说，还有许多令人惊嘆的科学知识、引人入胜的发展背景以及精彩的科幻作品等待他们去发掘。

阿尔库比勒推进器

阿尔库比勒曲速推进器是曲速推进器的一个著名例子，它利用假想的负质量或负能量使太空飞行器前方的时空收缩、后方的时空膨胀。由於太空飞行器本身並未加速，这种推进方式不仅能实现高速飞行，还能像暗能量与哈勃膨胀那样，突破光速的常规限制。

由於需要目前自然界中尚未发现的奇异物质，並且能实现超光速（ftl）飞行，该技术属於 “克拉克科技”—— 即那些先进到与魔法无异的技术。目前，我们尚无明確且科学的方法来研发这种技术，而且它与感应环推进器非常相似，二者都是通过在太空飞行器周围製造一个时空扭曲的气泡来实现推进。

反物质消融光帆

由於反物质被认为难以製造和储存，人们一直在思考各种与其他材料协同利用反物质的方法，反物质消融光帆便是其中之一。

该技术需要少量反氢 —— 对於小型太空飞行器而言，可能仅需几克。通过將反氢缓慢释放到一个前置的金属板或碟形装置（类似美杜莎推进器的结构）上，这个金属板或碟形装置由铀 - 238 製成，尺寸可能仅几米，从而能为相对较小的太空飞行器提供推进力。

反物质与铀 - 238 发生反应时，会產生中子及其他次级產物，这些產物將以极高的速度离开光帆，为光帆每千克质量提供约几兆瓦的功率。这类太空飞行器或许能够从气態巨行星等天然天体中收集所需的反物质。

反物质催化核聚变

数十年来，我们一直在探索人工核聚变技术，虽取得了不同程度的进展，但整体呈逐步改善的趋势。其中，最具前景的方法之一便是反物质催化核聚变。

利用少量反物质，我们可以催化大量核聚变燃料发生聚变反应，释放出的能量远超过所消耗的少量反物质。而且，人们认为这一过程相对简单，既可以用於驱动核聚变反应堆为离子推进器供能，也可以直接在太空飞行器后方引爆微型核聚变炸弹，从而构成一台高效的核聚变火箭。

遗憾的是，该技术需要少量反物质，而天然反物质极为稀少，人工製造和储存反物质也极具挑战性。倘若我们能够掌握反物质的製造与储存技术，但產量不足以支撑全反物质火箭，那么反物质催化核聚变或许能让太空飞行器后方形成一个核聚变火炬推进器，使太空飞行器达到极高的速度，甚至可能超过光速的 10%。

反物质火箭

反物质是具有与普通物质相反属性的物质。当反物质粒子（如反质子或正电子，正电子也被称为反电子）与对应的普通物质粒子（如质子或电子）相遇时，它们通常会转化为携带这些粒子总质量能量的光子。

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这种湮灭过程本身並不具有爆炸性，而且在自然界中十分常见。许多粒子在衰变过程中会释放正电子，即便在人体內也是如此，这些正电子会迅速与电子发生相互湮灭。

但当反物质达到一定数量时，其能量释放能力会让核弹相形见絀。仅 1 千克反物质与 1 千克普通物质发生湮灭，释放的能量就相当於一枚 43 兆吨当量的氢弹，堪比人类测试过的最大热核装置 ——“沙皇炸弹”，而 “沙皇炸弹” 的重量高达 2.7 万吨，反物质的能量密度由此可见一斑。

反物质的另一大优势在於，除了可能需要的磁约束装置外，无需其他复杂硬体就能实现能量释放。目前，製造和储存反物质是其应用的两大主要障碍。关於反物质製造的基本理论和技术，可观看我们的 “反物质工厂” 节目。

假设我们能够製造並储存反物质，那么將反物质与等量普通物质相结合，通过类似火箭喷管的装置利用磁场进行喷射，就能形成一种排气速度达到光速的光子火箭。

理论上，像 “瓦尔基里” 这样的反物质太空飞行器，速度有望达到光速的 92%。在这一速度下，太空飞行器上的船员每经歷不到 10 小时，地球上就会过去一天；太空飞行器上度过 40 年，地球上则会过去一个世纪。

因此，在已知科学理论框架下，反物质通常被认为是能量最强的火箭燃料。然而，由於反物质在自然界中极为稀有，且製造和储存难度极大，人们常常会考虑更经济的反物质利用方式，例如反物质消融光帆和反物质催化核聚变。

电弧喷射火箭

电弧喷射火箭（也称为电弧喷射推进器）是一种电动太空飞行器推进方式，常用於小型太空飞行器，因其结构简单、体积小巧。

电弧喷射火箭通过一对电极產生电弧（与传统电弧焊枪產生的电弧类似），电弧会使推进剂汽化並將其向后推送。电弧与推进剂隨后会转化为等离子体，继续向后穿过推进器，並在阳极和阴极的作用下加速。

这是一种低推力、高效率的火箭类型 —— 在任意时刻產生的推力都非常小，但排气速度极高。氨是电弧喷射火箭中常用的推进剂，其排气速度通常为 9000 米 / 秒，是典型化学火箭的两倍多。

与同类的电阻加热喷气发动机相比，电弧喷射火箭的效率通常更高，但两者都存在耐用性和寿命方面的问题，尤其是电极易受损。无电极设计（如脉衝感应推进器）正试图解决这一问题。

偏差推进器

偏差推进器是 “克拉克科技” 发动机的一个例子，其工作原理並非扭曲时空，而是局部改变宇宙的物理常数 —— 在这种情况下，是改变太空飞行器前后方的引力常数，使太空飞行器本质上 “落向” 目的地。

目前，我们尚无改变物理常数的方法。而且，即便偏差推进器能够正常工作，太空飞行器中心也可能会產生奇点。不过，这类太空飞行器在从 a 点移动到 b 点的过程中无需消耗任何燃料，並且偏差推进器似乎能为製造发电和供能的永动机提供可能。

当然，也完全有可能，改变物理常数的技术仍然需要遵循能量和动量守恆等物理定律。

黑洞推进器

黑洞推进器是一类假想的太空飞行器推进方法，其应用范围广泛，既可以利用天然黑洞为太空飞行器加速和改变航向，也可以 “操控” 黑洞来移动整个恆星系统

其中最广为人知的一种设计，是利用质量在亚百万吨级的微型黑洞產生的霍金辐射来工作。其他方法还包括利用彭罗斯机制或类似原理，將物质注入黑洞（通常假设是质量超过百万吨级的微型黑洞），在物质下落过程中，其 20% 至 40% 的质量能量会以辐射形式释放出来，从而获取能量。

通过这种方式从黑洞获取能量，在技术层面上並不复杂，本质上与其他核反应过程类似，都是吸收黑洞释放出的高能光子。人们认为，可以利用磁场將这类黑洞与太空飞行器或空间站连接起来 —— 黑洞既能產生磁场，也会与磁场相互作用。

关於黑洞在太空飞行器中的其他用途，可观看我们的《黑洞飞船》节目，其中还探討了將黑洞用作太空飞行器的动力源、为光子火箭供能、驱动巨型雷射推进光束（就像我们为雷射帆和推进中继站设想的那样），甚至將黑洞用於 “弹弓效应”，让太空飞行器围绕黑洞做圆周运动以达到高速等应用场景。

布塞曼衝压发动机

布塞曼衝压发动机的核心设计理念是：宇宙空间中充斥著大量电离气体粒子（其中大部分是氢），这些粒子是现成的核聚变燃料。如果能够利用磁场捕获这些粒子並將其吸入太空飞行器，就能將其用作燃料。

之所以被称为 “衝压发动机”，是因为它与吸气式衝压发动机的工作原理有相似之处 —— 都是吸入介质（前者吸入星际气体，后者吸入空气），对其进行超高温加热后再从后方喷出。不过，在布塞曼衝压发动机中，加热气体的能量来源於气体自身的核聚变反应。

要引发这种核聚变，需要以相对论速度吸入星际气体，並將其强力压缩至太空飞行器的 “喉部” 区域，使气体粒子在极高的速度、温度和压力下相互碰撞。

这种设计曾被认为有望为太空飞行器提供无限的能量来源 —— 太空飞行器在飞行过程中可以从太空中 “抓取” 燃料，就像船只在柴油海上航行一样。事实上，在一段时间內，人们曾设想利用它实现太空飞行器的持续加速，这一理念在科幻经典小说《牵引零点》以及引力偶极子推进器、雷射帆等其他推进系统的相关设想中都有体现。

然而，后续的数学计算表明，这种设计並不可行。实际上，一些观点认为，该方法消耗的能量可能比反应释放的能量还要多，最终会导致太空飞行器减速。颇具讽刺意味的是，这一特性使得该推进器在 “免费减速” 方面颇具优势：在旅程初期，可藉助雷射帆和中继系统將太空飞行器加速到一定速度；抵达目的地时，再利用布塞曼衝压发动机进行减速，同时为太空飞行器的其他功能供能。

此外，如果太空飞行器本身配备了正常运行的核聚变反应堆，且飞行速度不超过其常规排气速度，那么这种利用磁场捕获电离粒子的技术是完全可行的，因此也適用於那些配备常规核聚变反应堆、计划以光速的百分之几的速度飞行的巨型太空飞行器，例如自由號深空採矿船、巡逻舰，或是需要维持轨道位置並补充燃料的巨型光束站（无论是雷射能量站还是物质束站）。

另外，如果在太空飞行器的 “喉部” 区域放置一个可补充物质的黑洞，將捕获的物质注入黑洞，那么太空飞行器的飞行速度將取决於该系统的有效排气速度。否则，在捕获物质后，为了將其用作能量和推进剂，需要吸收物质的动量，而这所需的能量可能会超过从中获取的能量。

因此，布塞曼衝压发动机虽未达到最初的设计预期，但它的一些变体设计和替代应用仍值得关注。

加粗 - 卡普兰推进器

卡普兰推进器是马修?卡普兰於 2019 年提出的一种移动恆星的方法。该方法利用静態卫星匯聚太阳能，使恆星风以光束形式从恆星向外喷射，隨后这些光束会穿过一个巨大的布塞曼衝压发动机装置，並与氧 - 14 射流共同作用，从而以远高於传统希卡德推进器的速度推动恆星。

加粗 - 化学火箭

“化学火箭” 是一个统称，涵盖所有依靠化学反应（通常是燃烧反应）运行的火箭。这类火箭最显著的特徵是会產生高强度的火箭火焰，这在无数火箭发射场景中都能看到。

在化学火箭中，燃料通常与氧化剂混合燃烧，產生高温的推进剂。由於温度极高，推进剂具有很高的排气速度，能以巨大的动量从火箭喷管喷出，同时推动太空飞行器向相反方向运动。

与压缩气体（如二氧化碳气动枪、水压玩具火箭中使用的压缩气体）或弹性装置（如传统弹弓、弓箭发射 projectile 时依靠的弹性力）等其他推进方式相比，化学火箭通常具有高得多的排气速度和比冲。

由於燃烧反应发生迅速，化学火箭能產生足够大的推力，使太空飞行器摆脱行星引力场。而像离子推进器这样效率更高的推进系统，儘管最终能將太空飞行器加速到更高的速度，却无法实现地面起飞或穿越大气层。

因此，化学火箭的效率在高温条件下最高，所以人们会儘可能让燃烧过程在火箭箭体和喷管所能承受的最高温度下进行。

目前已知效率最高的化学火箭燃料是分子氢与硼的混合物（氢硼燃料），但与更常用的火箭燃料（本质上是煤油）相比，其使用难度更大。

在不同的环境和工况下，其他燃料也各有优势，有些更易於操作或储存，有些则更易获取 —— 当需要从目的地获取燃料以实现返程时，燃料的易获取性就变得至关重要，例如在月球、火星或其他天体上利用当地资源生產燃料。

加粗 - 克拉克科技

克拉克科技本身並非一种推进系统，而是一个分类术语，適用於眾多在假想科学或科幻作品中提出的推进方法。

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