前幾天我在文章《 》，預測了，今年中國將首次火星探測任務的飛行軌跡，本文再跟大家預測一下，在可以期待的未來（本世紀內），有哪些運載工具有可能替代今天的運載火箭。
一、火箭推進器的運輸成本太高
自從牛頓發表《自然哲學的數學原理》一書以來，人類就一直被經典力學的一個計算所困擾著。如果我們要把一個物體送入地球軌道，我們就必須使它達到第一宇宙速度7.9 km/s。當物體飛行速度達到11.2千米/秒時，就可以擺脫地球引力的束縛，飛離地球進入環繞太陽運行的軌道，不再繞地球運行。這個脫離地球引力的最小速度就是第二宇宙速度。各種行星探測器的起始飛行速度都高於第二宇宙速度。
然而，要想實現這樣的速度，我們目前能採用的辦法只有牛頓第三定律，即作用力與反作用力大小相等方向相反。也就是說，火箭必須自己攜帶燃料，這必然導致其重量增加，即發射成本增加。將一公斤的物體送入近地軌道的成本就要超過2萬美元，到達月球差不多20萬美元，而到達火星的成本是到達月球成本的10倍。
未來載人登陸火星，需要發射的有效載荷恐怕要超過500噸以上的重量，很顯然，採用火箭推進器必然要承受巨大的經濟壓力，即使是大國恐怕也難以承受。所以，研發新一代低成本的載人運載工具就必須列入議事日程。
二、有哪些技術有可能成為備選方案？
2.1、激光推進技術
所謂的激光推進技術，其工作物質是裝在火箭水箱中的水，可以通過小孔滲透到底部，利用在地面發射大功率脈衝激光照射火箭的底部，水在大功率激光束的照射下，迅速汽化產生微爆炸，爆炸產生的連續衝擊波推動火箭上升。
目前，各航天大國都非常重視這項技術，投入了大量的人力、物力和財力進行專項研究。由於火箭並不攜帶任何燃料，所以，不存在運載火箭發生爆炸，產生災難性事故的風險。
2.2、大炮方案
大炮方案其原理就跟火銃差不多，在凡爾納的科幻小說《從地球到月球》、以及劉慈欣的《地球大炮》中都有類似的方案。這種方案就是要先製造一個長長的“炮管”，把要發射的物質做成彈丸放進去，然後點燃引信讓燃料在炮管內發生爆炸，就可發射了。
由於這種方法中炮管可以重複使用，所以從長期使用效果來看，其成本很低，甚至比前面的激光推進技術的發射成本還要低。不過，這種方法的問題也是很明顯的，那就是“彈丸”在發射過程中要承受的加速度實在是太大的，不是人體能夠承受的，所以這種方法並不適合載人。
2.3、離心力方案
第三種實驗性的火箭設計是“大型離心機”，這種方法其實就跟我們投鏈球差不多，就是利用旋轉，在幾秒鐘內把載荷加速到很高的速度，然後再拋入天空。我們可以想象的是，通過這樣的裝置把載荷拋到外層空間，一定需要一個非常大的離心機，要比摩天輪還要大幾百倍，同時還要解決一些列的工程技術性問題。跟“大炮方案”同樣的是，這種方案也不適合載人。
其實，前面這三種方案都已經在科學家們的研究當中，實驗性的測試單元都已經具備，目前也沒有理論上的障礙，基礎的數據也都得到了。如果資金能夠到位，這三種方案都可以取得預期成果。
2.4、太空電梯
如果說，前面三種方法，有可能成為短期內火箭發射方案的替代方案的話，那麼太空電梯，就是中長期的一個備選方案。
其原理也不復雜，就是一根掛在球上的繩子，讓球旋轉起來之後，離心力就可以防止它掉下來。如果這個球是運行在太空中，纜繩可以一直延伸到地面，那麼沿著纜繩上升的電梯就能飛入太空了。
從這段描述上看，這種技術似乎可行。但遺憾的是，我們根據力學原理計算得到繩子的張力比鋼的抗拉強度還要大，所以找到能製造這種繩子的材料，就成為解決這個問題的關鍵。
不過好在，現在有了納米技術，科學家們研製的碳納米管能夠滿足這個強度要求。雖然現在能夠製造出來的碳納米管的長度才幾釐米，但是，在可以預期的時間內，製造足夠長度的碳納米管繩子是可以做到的。
除了繩子的問題，還有兩個麻煩事也會對這個方案提出挑戰。
第一個麻煩是，這根繩子連接天地，會與不少目前已經佈置在地球周圍的人造衛星軌道相交，如何避免相撞是一個大課題。
另一個麻煩是，這根繩子在地球上的連接點，要經受自然的挑戰，颶風、雷暴等，太空電梯一端必須要固定在地球上，所以這一端應該如何設計，才能避免被強大的自然力破壞？
2.5、星際飛船
儘管衝出地球的困難重重，但是人類還是夢想著有一天能夠在火星甚至是小行星上建立進入宇宙的前哨站。科學家們為星際飛船準備了幾種設計方案和推進系統：太陽帆、核火箭、衝壓式噴氣聚變、納米飛船、反物質火箭。
太陽帆和核火箭我們就不細說了，比較簡單，咱們重點說後面三種。
衝壓式噴氣聚變發動機原理是在衝壓式噴氣發動機與核聚變相結合的思路上設想出來的。就是讓飛船在星際航行的過程中，不斷收集星際空間中到處可見的氫氣，然後再利用核聚變的原理，讓氫發生核聚變生成成氦並釋放出大量的能量，引發爆炸產生推力。由於星際空間中的氫是取之不盡的，所以可以想見，這種發動機可以永久運行。
納米飛船是受到了鳥群的啟發。隨著納米技術的發展，現在龐大飛船的很多功能都是可以被縮小到納米尺度之下，人類通過製造數以百萬的納米小飛船，把它們送入太空的成本就會很低。這些小飛船就可以像鳥群中的鳥一樣，組合成超個體。科學家們希望它們能夠代替人類探索宇宙。不過對於如何能製造出來第一個能自我複製的納米小機器人，還是一個很遙遠的事情。
反物質是宇宙中最強大的能源。所謂的反物質即物質的對立面，帶有相反電荷；比如，一個電子帶負電，其反物質是帶正電的電子，它們相遇後就會發生湮滅，並釋放出巨大的能量。即使僅僅有4毫克的反物質，就足夠把我們送上火星。如果有100克反物質，就足夠把我們送到比鄰星了。
在同等質量下，反物質的能量是火箭燃料的10億倍。現在的問題是，生產反物質非常的困難，因此經濟性非常差，或者說，消耗掉全地球的資源才能生產出足夠推動一架星際飛船的反物質。所以近期看，這個方案成本太高。
結束語
非常期待，在本世紀末，人類能夠踏上火星，甚至到達小行星帶，完成對太陽系內天體的探索。對於支持這些項目的火箭推進技術，我認為最有可能是在前文中提到的那些，其中可能性最高的是第一個：激光推進技術。不過也許未來的火箭是某種複雜的複合型發動機，也不好說。
對於未來火箭的推進技術，我就介紹到這裡了，不知道其它小夥伴們，還有什麼其它看法嗎？歡迎在評論區留言參與。
閱讀更多 郭哥聊科學 的文章
