让你做短视频，你科普黑暗森林 第165章 科幻引擎（二）

加粗 - 核聚变火炬推进器

“火炬飞船” 一词最初指的是能够將物质完全转化为能量的太空飞行器，而核聚变火炬推进器则是一种通过將核聚变燃料（甚至可能是基础氢元素）转化为能量，並利用核聚变產生的能量加热剩余物质作为推进剂，从而实现高速飞行的推进系统。

由於核聚变需要在数百万度的高温下进行，无法在常规的燃烧室中发生，因此通常需要藉助磁约束技术，並且需要大量设备將核聚变释放的辐射和热能转化为电能，再通过离子推进器或等离子体推进器等装置加速推进剂。

然而，在实际应用中，这些限制会极大地制约核聚变动力太空飞行器的最大速度和加速能力 —— 这正是核聚变火炬推进器的设计意义所在。

核聚变火炬推进器的设计思路是：让核聚变反应在太空飞行器尾部直接发生，使推进器本质上像一架 “火箭飞机”，而非需要复杂內部结构（以避免熔化、爆炸或被强伽马射线和中子辐射侵蚀）的反应堆或发动机。

目前，已有许多基础的理论设计方案，科幻作品中也有大量相关设定。其中，最著名的当属《太空无垠》系列中提到的爱泼斯坦推进器，它就是一种核聚变火炬推进器设计。

核聚变火炬推进器深受太空探索爱好者的青睞，因为它常被认为是最接近现实的 “近未来技术”—— 一旦实现，必將使太空旅行（包括星际旅行和地空往返）变得切实可行。不过，正如我们在其他討论中提到的，还有一些技术复杂度更低或可並行发展的技术方案，同样有望实现星际殖民。

加粗 - 引力偶极子推进器

引力偶极子推进器是一种利用负质量的无反衝推进器，其设计採用哑铃状结构：太空飞行器一端装有负质量球体，另一端装有正质量球体。

该推进器的工作原理基於负质量的一个推测特性：负质量会被正质量吸引，但同时会对正质量產生排斥力。因此：

· 当一个负质量粒子和一个正质量粒子相互作用时，正质量粒子会被负质量粒子推开，而负质量粒子会被正质量粒子吸引，最终形成正质量粒子被负质量粒子 “持续追逐” 的局面，从而推动太空飞行器不断加速。

这一概念与直径推进器类似。罗伯特?l?福沃德曾描述过一种採用这种技术的太空飞行器设计：在太空飞行器前端（正面）放置一个常规正质量球体，在后端（尾部）放置一个负质量球体。

理论上，这类太空飞行器可以实现无限加速，但由於星际气体和辐射会对其前端產生阻力，其最大速度可能会限制在光速的 99.9% 左右 —— 这类太空飞行器有时也被称为 “光行者”（light hugger），即能以接近光速的速度飞行的太空飞行器。

通过翻转太空飞行器的方向，即可实现减速。太空飞行器的加速或减速能力取决於其推进质量与有效载荷的比例，並且它或许能够通过物理方式 “锚定” 在任何较大的天体上。

儘管初看之下，这类太空飞行器似乎违反了能量守恆或动量守恆定律，但目前尚无定论 —— 它是否真的违反这些定律仍有待验证。

加粗 - 引力推进

引力推进是一个统称，涵盖所有通过操控人工引力、利用反重力、定向引力波、引力子束、特定类型的牵引光束，或是通过 “隔绝” 引力来实现移动的太空飞行器推进系统。

儘管我们通常將这类技术归类为克拉克科技（详见我们的《克拉克科技：反重力》节目），但从理论上讲，引力或许能够通过除 “质量” 之外的其他方式来操控或產生。

理论上，引力推进器还能规避快速加速带来的常规问题。艾萨克?阿西莫夫的《基地边缘》（《基地》系列第四部）中就描绘了一种採用此类推进器的太空飞行器。通常，快速加速会导致太空飞行器內部物体因加速不同步而受损，但当太空飞行器 “落入” 引力场时，由於引力会均匀作用於每个粒子（忽略潮汐力），无论加速强度或速度有多高，都不会出现这种损伤。

因此，具备这种特性的引力发动机能够让人员和货物安全地实现超高速加速，这对於短途太空旅行，或是能够达到极端相对论速度的星际太空飞行器而言，都具有不可估量的价值。

加粗 - 霍尔效应推进器

霍尔效应推进器是离子推进器的一种，以埃德温?霍尔及其发现的霍尔效应命名。根据所使用的推进剂不同，它会喷射出色彩绚丽的等离子体射流，这一特徵使其易於识別。

霍尔效应会在垂直於磁场的方向上產生电势差。基於这一原理，霍尔效应推进器的设计如下：

1. 构建一个圆柱形腔体，並在內部放置一个大型磁性螺线管，產生强磁场；

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2. 电离后的粒子会在磁场作用下沿腔体轴线加速（与普通离子推进器类似）；

3. 磁场本身负责电离推进剂，並將电子与离子一同向后推送，確保离子喷出时呈电中性。

霍尔效应推进器在人类登月之前就已问世，此后不断改进，衍生出多种类型，其排气速度最高可达目前最先进化学火箭燃料的 10 倍。

不过，与大多数电动推进技术一样，霍尔效应推进器面临著 “高推力” 与 “高效率” 的权衡 —— 它的推力非常小。目前已製造出的功率最大的霍尔效应推进器是美国密西根大学研发的 100 千瓦推进器，其质量为 230 千克，推力却仅为 5.4 牛。

根据牛顿第二定律（力 = 质量 x 加速度），若不考虑电源等其他设备的质量，该推进器自身的加速度仅约为 0.0022 米 / 秒 2，比地球重力场中的自由落体加速度慢约 4500 倍。因此，霍尔效应推进器无法用於太空飞行器的地面起飞。

然而，若能持续加速，其最终速度依然可观：

· 持续加速一天，速度可达 190 米 / 秒；

· 持续加速一个月，速度接近 6 千米 / 秒；

· 若燃料充足，持续加速一年，速度可达到 70 千米 / 秒。

相关条目：离子推进器（ion drive）、可变比冲磁等离子体火箭（vasimr）

加粗 - 霍金辐射推进器

霍金辐射推进器利用小型黑洞產生的霍金辐射来驱动光子火箭。

根据理论，黑洞会隨著时间的推移逐渐 “蒸发”，並主要以光子的形式释放能量，且质量越小的黑洞，蒸发速度越快：

· 一个质量为 1 百万吨的黑洞，蒸发时释放的功率可达 356 万亿瓦，其蒸发过程会缓慢加速，寿命约为 1474 年；

· 一个质量为 100 千吨的黑洞，释放的功率是前者的 100 倍，但寿命仅为前者的千分之一，约 1.47 年。

通常认为，霍金辐射推进器会使用质量在 100 至 1000 千吨范围內的黑洞。对於更大的太空飞行器，不会使用单个更大质量的黑洞（因为黑洞质量越大，功率越低，儘管寿命长得多，总能量输出也更高），而是採用多个上述质量范围的黑洞。

我们在《黑洞系列》节目中探討了將黑洞用作太空飞行器动力源和武器的方法，包括製造黑洞的假想技术。

从已知物理定律来看，霍金辐射推进器的原理似乎是可行的，因此我们不一定將其归类为克拉克科技，但它確实处於克拉克科技的 “模糊边界”—— 尤其是在如何通过磁场將黑洞与太空飞行器 “连接”，以及如何使黑洞主要以伽马射线的形式定向释放辐射（而非全向释放）方面，目前仍面临巨大挑战（因为我们尚无能够反射伽马射线的材料）。在缺乏伽马射线反射材料的情况下，只能先吸收伽马射线，再將其转化为更低频率的热能，然后利用现有材料反射这些热能以產生推力。

再次强调，对於霍金辐射推进器而言，“更大並非更好”—— 更大的太空飞行器只需增加黑洞的数量即可。

此外，这並非利用黑洞作为太空飞行器推进器或驱动太空飞行器的唯一方法。

加粗 - 螺旋波双层推进器

螺旋波双层推进器（简称 hdlt）是等离子体推进器的一种，其工作原理是通过无线电波將推进剂分解为等离子体，从而使推进剂获得高速。

它与更广为人知的可变比冲磁等离子体火箭（vasimr）概念相似，但具有以下优势：

· 无需像离子推进器那样担心电荷积累问题，因此不需要中和器；

· 没有活动部件，也没有易受侵蚀的关键组件，因此维护需求低 —— 只要有电源和推进剂，就能持续工作。

加粗 - 赫利俄斯推进器

赫利俄斯推进器是希卡德推进器的一种变体，它结合了 “恆星提升” 技术来移动恆星。

与传统希卡德推进器相比，赫利俄斯推进器的优势在於：

· 加速恆星的速度更快；

· 但缺点是恆星的最终速度更低 —— 因为它依靠加速后的等离子体作为推进剂，这一过程会导致恆星质量减少。

赫利俄斯推进器的工作原理是：通过反射镜將恆星的光导向特定方向，而非像希卡德推进器那样將光反射到单一方向，从而使恆星表面喷发出一股炽热的物质流，就像火箭的火焰一样。

这种技术非常適合移动可能发生超新星爆发的大型危险恆星 —— 它能在更短时间內使恆星达到星际速度，同时减少恆星质量，可能延长恆星的寿命。

赫利俄斯推进器的一种变体设计会利用布塞曼衝压发动机，將从恆星喷出的等离子体进行核聚变反应，以產生更大的推力，这种变体被称为卡普兰推进器。

此外，该技术还可用於提高恆星的表面温度：通过在红矮星等低温恆星的两极区域部署静態卫星反射镜，使恆星赤道区域（可能存在行星或太空棲息地）的光谱更接近太阳光谱，这种应用被称为 “恆星增强”（star boosting）。

加粗 - 超空间跳跃引擎

超空间引擎是一类超光速推进器的统称，其工作原理是让太空飞行器离开当前宇宙，进入一个与我们宇宙 “全等” 的平行宇宙。在这个平行宇宙中，要么空间尺度更小，要么光速更高，从而实现更快的旅行。

举一个概念性例子：假设你想从美国西部前往东部，你可以从现实世界 “跳跃” 到一张地球地图（尺寸如普通地图册中的一页）上，在地图上从起点直接 “走” 到终点，然后再 “传送” 回现实世界 —— 这比在现实中长途跋涉要快得多。

科幻作品中著名的超空间设定包括《星球大战》《巴比伦 5 號》《黑洞表面》《战锤 40000》等。

“超空间”（hyperspace）一词在概念上与 “亚空间”（subspace）、“超域”（superspace）、“域外空间”（overspace）、“下空间”（underspace）或 “n 空间”（n-space）等术语大致可互换，儘管这些术语在数学上代表不同的概念。

儘管许多现代宇宙学模型允许存在各种可能的超空间或类似结构，但我们尚未观测到任何超空间的证据，也没有找到在不同宇宙间穿梭或在超空间中生存的方法。因此，超空间引擎被归类为克拉克科技。

加粗 - 惯性减小推进器

惯性减小推进器的设计基於以下假设：所有物体都具有惯性（或动量），且惯性由物体的速度和质量（具体而言是惯性质量）决定 —— 惯性质量被认为与產生或感受引力的质量（引力质量）不同。

惯性质量反映了物体抵抗外力作用（如火箭推力）的能力。例如：

· 一艘质量为 100 吨的太空飞行器，若能在飞行过程中將其惯性质量降至 10 吨，那么它的运动状態將类似於质量为 10 吨的物体 —— 在相同动量或动能下，速度会更快，下落时加速度也会更大；

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