太空航行与技术导论

异形之用心

而太空殖民地的原料则可能先在小行星的浮游工厂生产出半成品的各种模块，再拖运至拉格朗日点组装。至于货柜船，邮轮，运输舰，油轮甚至是战舰则可能直接在小行星带的浮游工厂建造，因为那里有所有需要的原料。浮游工厂可以在无重力高度真空的环境下，生产出地球上不可能生产的极优良的产品与材料。如果需要重力的话，则可由旋转的离心力造出人工重力。

　　例如一绕轴心旋转的扁圆型工厂，在圆周部份具有最大重力，旋转轴心部份则是零Ｇ，可依需要生产不同产品，甚至可将生产线串接起来，在不同的加工程序中可以运用最适当的重力要求环境。

　　环木星轨道上则应该是主要的太空船燃料产地，应有轨道浮游工厂抽取提炼融合原料，再者由于燃料丰富，此地也该是主要的外太阳系与其它恒星系的长程探测船的基地，同时会有很多科学家聚集在此进行研究。

　　L4与L5两个拉格朗日点的太空殖民地与太空城市则应该是太空航行的集散与转运中心，地位当如同今日的香港与新加坡，这两个地点的先占权争夺可能会引起相当的冲突。另外需要一提的是水星内侧的环太阳轨道将会有大规模的太阳能发电系统以及用以作光压推进的聚光站。能量将以微波的方式传送给地球，月球与太空殖民地。这些能量供应站应当具有相当高的自动化程度，仅需要最少人力便可操作。这个地区的能量站提供大量廉价的能源，具有重要的战略地位，但并非无可取代，至少受控核融合发电便可以取代之，虽然必须付出较高的价格。

　　较重要的应该是往木星的航线，那应该是主要太空船燃料的供应地。不过即使这条航线中断，地球仍然可以由大海中提炼融合燃料重氢，月球也有相当大的氦三存量，而火星的氘蕴藏量则是地球的五倍。换句话说，往木星航线中断并非是致命性的，而仅只是稍微提高能源价格而已。真正具有无可取代的最重要战略地位的应该是原料产地与加工地的小行星带外围某处，这里的存废将会直接影响工业产品以及军事产品的质与量。另外地球本身，以及火星在粮食产量达到一个程度后基于粮食的需求应该也是战略要点。

　　再者，还有一个特殊的地方，在距离太阳约 800AU的地方是太阳的重力焦点。自无限远方的宇宙来的平行光束经由太阳的重力偏转，将会聚焦在这个距离上。换句话说，在 800AU的虚拟天球表面上等于有一个与太阳直径相同的超级口径的天文望远镜。这种解像力足以使其能够详细观察数十亿到上百亿光年外的银河与宇宙边缘的细部结构，因此这里将是天文学家的天堂，不过这跟一般人的关系并不大就是了。

　　就一般而言，太阳系内的太空航行应该是这些点之间的联系，在太空开发初期，大多数的运输能量将被用于运载工作母机与能源，以能在太空建立初期生产能量，一旦生产能量建立，大规模行星间运输能量将会成指数成长。发展到极盛时期，真正的运输动脉应该是小行星带的工业产品运输通路，地球的粮食运输通路与月球，火星或木星的能源运输通路。就乘客运输而言，会采取高速取向，在能够接受的成本内尽量以最高的速度来运输乘客，即使用快速运输舰。而对于产品与原料的运输，则应当是采取能源节省取向，以大规模，低能源消耗与长时间的型态来运输，即重型货柜船。而能源（特别是火箭燃料）则以介于两者之间的速度来运输。

　　至于往其它恒星系的航行探索则并不在本文讨论范围内，将来若有可能的话再另行撰文讨论之。

异形之用心

点类似。

　　核子动力船舰的行动半径并非受限于燃料，而是受限于食物等补给品与成员的心里问题。另外若能用光帆或磁帆作减速需求，则可以减少甚至不需要考虑减速会消耗的燃料，如此一来同样燃料携带量的太空船便可以达到两倍的巡航速度。但先决是要朝向太阳或是光源站航行，且使用的光帆重量不可超出原先减速用燃料的重量。

　　基于相同的原理，太空船一般都会装备多具引擎。太空船的最终速度和引擎的推力与数量毫无关系，只和燃料有关。即使是仅装备一具低推力引擎，花费较长的时间去喷射燃料则仍然能达到相同的推进速度。以装备两具引擎的太空船而言，若其仅开启一具引擎则推力与加速度将降为一半，但燃料消耗速度也降为一半，因此加速时间为两具引擎的两倍。相乘之后所达成的最终速度是相同的，因此乍看之下似乎没有必要装备多具引擎。

　　但问题在于太空中毫无阻力，如果飞行途中发生引擎故障的事故导致丧失推力，则太空船将会持续永恒的飞行下去。想要拯救引擎故障的太空船是极端困难的，这与地球上的情形完全不同。在地球上若是航行器引擎故障，则航行器必定会因为空气或水的力而停止。若是乘客没有在迫降中伤亡，又不是迫降在恶劣地点如喜马拉雅山脉中的话，则至多在数天之内便会获得救援。但在太空中毫无阻力，丧失推力的太空船无法停止，又由于宇宙空间的巨大距离以及火箭系统的理论限制，因而会使拯救工作相当困难且耗费庞大。这是因为救难船必须以更高的速度，至少必须是两倍以上，才能够在第一艘太空船飞行时间两倍之内追上去拯救遇难船舰。太空船距离基地越远，救援来到的时间就会越迟，若太空船已飞行一个月而引擎故障，则两倍速度的救难船会在发出求救信号后一个月才能抵达。且救难船将消耗大于两倍的燃料。若是救难船增加速度欲更快抵达，则所消耗的燃料便会增加的更快，导致必须付出大量的燃料成本。

　　根据火箭公式，当太空船最终速度（单程）大于推进系统的喷气速度的时候，则任何微小速度的增加便会大幅增加质量比。当然在使用先进推进系统如核融合推进系统之时，一般的民用太空船之飞行速度由于经济上的考量，将不太可能超过其喷气速度。但是军舰则由于需要追求速度，便有可能发生此种情形。特别是追求高速的轻型军舰有可能在引擎发生故障后无法救援回收。因此追求高速的轻型舰反而较可能装备多具引擎，以避免因为引擎故障而完全失去动力的情况。

　　附带一题的是，多引擎太空船的喷射口必须是成对对称于质心切线，一旦一具引擎故障或损坏，则必须同时关闭对称的另一具引擎。否则推力力矩将会造成太空船的旋转，欲使用姿态控制引擎修正此旋转力矩将会消耗大量燃料，是十分划不来的事。

　　另外，太空航行的基地与目标不外乎以下几个，环地球轨道，环月轨道，环火星轨道，两个拉格朗日点L4与L5，小型星外围某处，环木星轨道等。这是以太阳系中的重点为主。地球与月球不用说了，火星的地位也相当重要。月球基地或许会比火星较早建立，但人口成长较快，发展较快的将会是火星而非月球。因为火星具有大气，有较好的农耕与生活条件，加上距离主要矿场与工厂的小行星带较近，可以就近供应燃料，食物与水，因此其人口增加速度与移民速度将会较高。

　　小行星带除了是矿场地带之外，应该也是主要的浮游工厂位置。这是因为太空中原料运输成本（必须用太空船运输）远比能量运输（可用光束传输，甚至可能就地开采，即使用运输供给，氘与氦三等融合原料无论如何还是比金属轻很多）来的高，再加上一般而言产品的重量会比原料矿石低，虽然空间可能比较大，但是太空运输的问题在于质量而非空间，运输重量较低的产品可以减低成本，因此工厂应该会朝向原料产地集中。

异形之用心

但用在发电上系统的复杂度将不下于托卡马克的磁场电浆拘束系统，且输出功率也会较低。目前的雷射爆缩研究目的与其说是为了用来发电作为能源供应，不如说为了军事用途的核爆研究。　　不过即使是受控核融合系统普及之后，核融合脉冲推进仍然会以其极为简单的结构，相当大的推力与较低的系统故障率与价格而能占一席之地。特别是中小型的太空船就很可能会选择使用脉冲推进系统来作为推力源。象是百吨级或是千吨级的区间联系船，小型人员运输船，中型探测船或是区间太空战斗机，甚至是大型飞弹等都很可能都会使用此类系统。至于星际冲压喷射系统，则除了超长程恒星探测船外没有其它的市场，因而其进一步研究发展可能要再拖下去了。　　而第三种推进形式的的光压与磁压推进系统则具有极大的潜力，关键乃是在于价格方面。比如前文举的太阳光压系统一光秒距离加速的例子与核分裂动力火箭相比，两者间的巨大区别是火箭系统可能仅在几分钟内便可达到此一最高速度，但需要支出庞大的燃料成本，就核分裂引擎的标准太空船而言是一千吨富铀的价格，推进系统本身的造价尚未计算在内。而光帆系统则需要加速九天半，但是一毛燃料费用都不用花，只要太阳不熄灭就成。　　而光帆本体的价格则很便宜，从金属薄膜，凯夫勒纤维镀金属甚至网状材质等都有，总之能比一千吨的富铀贵的材料似乎并不多。再者核分裂火箭的这一千吨富铀（或者是核融合火箭的氦三或氘）都是会在飞行中消耗掉的。而聚光站与光束发射站都可以重复使用，因此价格可以分摊下来，实际上建造这些系统的成本并不比铀矿的开采与提炼设施贵多少（运费除外）。　　另外光帆可以重复使用，也可使用一次就丢掉，端视需要而定。换句话说，光帆的消耗性能量主要来自太阳，而这价格极低，其它推进系统的消耗性燃料在这方面无法与之竞争。但光帆系统的航道与机动远不及火箭系统，因此在行星间航行与输送中光帆系统将会是主要的「辅助动力源」。也就是同时装备火箭系统与光帆，有点象是装了蒸汽引擎的帆船，或者是装了帆的蒸汽船之类的。　　虽说是辅助动力，但可能是整个航行中一半以上到90％的能量是由光压提供。火箭系统仅于紧急时使用，或作为停车靠泊与航道修正时的辅助动力。但有个例外，军用舰艇不可能以光帆为主要动力，至少在战争时不可能，因为光帆系统的航道十分固定容易被预测，且体积，或者说是面积庞大，非常容易被侦知与破坏。因此在战斗舰艇上应该是以核融合推进为主要动力，另预留搭载光帆系统的硬点支架以于平时的训练任务中搭载光帆以节省燃料，或者作为出港时舰艇的加力器。　　当然在战时作为加力器用途的光帆将会在以其增加到一定速度后抛弃。这类一次使用性的光帆可以做的厚一点，在推进时以高功率光束照射以在短时间内获得最大推力。当然这样很可能会烧毁光帆，不过既然是一次性使用这就不重要了。所以光帆算是太空战舰的副油箱，可以增加其巡航半径与巡航速度。就地球上的类比而言，光压推进系统相当类似于地球上的铁道系统或是海运系统。具有廉价大量运输的特性，但机动性与加速度（并非速度）远低于汽车与空运体系。另外光帆或是磁帆亦可做为太空船的减速系统，就是光压煞车或是磁压煞车。运用这两种系统来煞车可让太空船的巡航速度立即提升一倍以上。这在后文将会提及。　　 　　

卷一 太空航行导论 第七节 太空航行原理与一些初步概念　　 　

　所谓的航行不外乎是从一个地点移动到另一个地点。以太空航行而言，就是轨道转移的动作。从某个星球的轨道航行至另一个星球的轨道，或是从同一个星球的低轨道移动至较高的轨道，这种轨道转移的航行路径轨迹被称之为「转移轨道」。

异形之用心

根据以上的计算，标准太空船可以使用一万平方公里的光帆，在九天半的时间内加速到739m/s的速度，并在这段时间内前进了一光秒的距离（地球到月球的距离约为1.3光秒）。而这个速度大约略为低于于采用NERVA计画中测试的的固态核心核分裂动力推进系统的标准太空船的最终速度。

　　当然只要太阳没有熄灭，光帆船可以继续加速，但由于远离太阳时光压会下降，因而最终有一速度极限，这个极限主要视光帆的性能与其质量占太空船的比例而定，光帆的性能越高指其越薄，能以更低的重量提供相同的推力。而质量比例越大则代表其加速度越高，极限加速度则由光帆性能而定。加速度极限便是 100%光帆零酬载的加速度，此例中极限加速度为千分之一个G 。光帆质量比例越大则太空船加速度会越趋近这个值，但光帆占越大的比例也代表太空船酬载越小，超过一定程度时增加的速度的利益将会被减少酬载的损失抵销，因此质量比例有一最佳值，主要改善目标还是会放在光帆性能上。另外一个加速的方法是从更靠近太阳的地方出发，此时可以获得更高的初期推力因而能有更高的最终速度。

　　光帆的更进一步运用是用人工主动照射来获得推力。人工照射可分为以采用聚光照射或是主动发射能量光束两种。聚光照射即为于近太阳轨道建立反光板阵列群将太阳能聚焦投射到远处的光帆上，如此可使光帆在相同的距离下获得比平常更高的能量输入，或者在更远的距离减低太阳光散射光压降低的损失而能够达成更长的能量输入距离，两者都能增加光帆的最终速度。这种方法会稍微增加一些成本，主要是聚光站的建造与维护成本，光帆包含聚光站的能量来源同样也是免费的。其所增加的速度可以用最简单的增加推力与加速时间来推估。

　　例如若从1AU的距离开始出发，若聚光站的照射能让光帆输入增加N倍，则推力与加速度亦可增加N倍。另外增加照射时间可将式(a)的加速度经过修正后再乘上秒数而定。若是聚光输入增为十倍，且能量不衰减距离增为1000光秒的话，则在此段距离内的加速将成为73892m/s，约为 73.89km/s 。而照射时间则增加为94天，约三个月。这个速度已经高于任何核分裂动力火箭并接近脉冲核融合火箭能达到的速度了。如果聚焦能力能够再加强，让能量不衰减距离能够再拉长，则此太空船的速度最终将超过运用核融合动力火箭系统的标准太空船。

　　当然，一切能量源还是免费的，这就是最大的重点。另外需要一提的是增加对光帆的输入和光帆接收能量不衰减的距离是一体两面的，只要聚光能力加强两个都可以加强，但就光帆而言，其输入是有上限的，过大的输入会烧毁光帆。因此聚焦能力超过一个限度后（实际上很容易就会超过），便会在光帆船于近距离时将聚焦光线输出减弱至光帆能够承受的安全系数内，而光帆远离时再逐渐增加输出以弥补距离拉远时的散射损失，以此来将光帆的推力(即能量输入)维持在一个定值。

　　另外聚焦用的太阳能板阵列则没有烧毁问题，由于不需要长距离高速移动，它可以作的较厚，同时也可以增加面积与数量等来增加输出。基本上聚光板是没有性能的限制的。而光帆的能量承受安全系数亦是光帆的性能值的一个重要参数。

　　主动发射则是由人工放射能量光束进行冲击推进，这种方法需要付出的成本较高，重点是在建立光束发射站，发射光束来照射光帆使其获得推力。与纯粹的太阳光聚焦站不同的是这种光束发射站可以自由挑选所使用的光束波长，不同于聚焦站只能纯粹的聚焦日光。当然，光束发射站的能量来源也可以使用太阳能，如此同样没有燃料费的问题，但是在建造与维护成本上显然会比聚焦站的太阳能反射板高上许多。

　　光束发射站的一个使用时机是在远地星球上

异形之用心

但主要是用于姿态修正而非作为推力。比如航海家四号便以改变光压力矩作为姿态控制。作为主要推力的光压系统的最简单概念便是太阳帆，用一块镜子放在太空中，它自己就会受到太阳光压而前进。

　　太阳帆的制造在技术层面上有些麻烦，因为它必须非常薄，同时面积要非常大。但这并不是完全办不到的那种困难，而是效率方面会因为技术水平的不足而滑落。太阳帆目前已有成品，前苏联曾经在太空站上测试介于太阳帆与大面积反光板之间的产品，另外以光压为主要动力的太阳帆成品则是民间的一些业余团体作制造。「世界太空基金会」(World Space Fundation) 与「法国光子动力推进联盟」(French Union Pour la Promotion de la -Propulsion Photonique)便已于几年前造出小型光帆航行载具，并希望能在1992年哥伦布发现新大陆五百周年时能让此太阳帆航向月球。但这些业余团体无法支付火箭发射费用，同时也没有其它班次的发射载具能让他们的产品搭便车，所以至今仍然没有发射入太空。

　　单靠太阳光压的光帆的优点不需要花费任何燃料成本，缺点是推力太低加速过慢，同时远离太阳的地方光压会过低。其推力可由以下公式求得：

　　F/A = 2(S/C)

　　根据经验太阳能流量（Solar flux）S = (3.1*10^25)/R^2

　　其中F/A为每平方米的推力值（牛顿），C为光速（3*10^8m/s），S为以瓦计的每平方米能量流束， R为自太阳起算的距离（米）。在距离太阳一个天文单位的距离下，日光功率约为每平方米1400瓦，面积一平方公里的太阳帆约可获得10牛顿的推力。若是假设此光帆重量为一公吨，则所获得的加速度仅有约千分之一个 G左右，可用此数据来简单推估光帆系统的性能让大家有点概念。同样我们以标准太空船为计算对象，但将其一万吨之燃料携带量作为其所使用之光帆重量，其计算如下：

　　假设一平方公里面积的光帆重一吨，则一万吨的质量空间可装设一万平方公里的光帆，再假设太空船由距离太阳一个天文单位的地方出发，即其出发点位于地球绕日轨道上，则每平方公里的光帆获得推力约为10牛顿，面积10000km^2之光帆获得之总推力为10000*10=100000牛顿。船体加帆总质量为110000 吨，根据F=m*a之牛顿运动公式计算，太空船之加速度a为：

　　100000牛顿=110000,000kg * a => a = 0.00091m/s^2

　　可将其除以9.8m/s^2 换算成等效重力，约为0.000093G，即约为万分之一个G 的加速度。又由于光压推力将随光帆与太阳之距离而下降，这会使计算必须采用积分的方式而使计算过程复杂化，为求简化，我们仅计算此光帆在前一光秒的距离内的加速度。一个天文单位约等于500 光秒，一光秒距离仅为其五百分之一，故光压随距离增加下降的程度可以忽略。在这第一光秒的距离内，太空船可以达到的速度可如此计算：

　　V^2 = V0^2 + 2 * a * s

　　由于初速V0为零，因此我们只考虑加速度a与距离s此二变量

　　V^2 = 2 * 0.00091m/s^2 * 300000000m -- 式(a)

　　V^2 = 546000 m^2/s^2

　　V = 739m/s

　　再以V = a * t 求出加速时间t。

　　739m/s = 0.00091m/s^2 * t

　　t = 812088 sec，将这个数字除以86400可以换算成天数，约等于9.4天。

异形之用心

卷一 太空航行导论 第四节 第二种推进形式：星际冲压喷射推进系统　　 　
　星际冲压喷射推进系统的想法与具体计算结果乃是在六零年代由洛斯·阿拉摩斯研究所的R·W·巴萨德所提出。这种形式的推进系统原理十分简单，也就是喷射机引擎的运作原理。从行进方向吸入气体，加速后往后喷出以获得反作用力。　　太空中虽然号称是真空，但仍然是有气体分子存在的。当然密度非常小，平均大约是每立方公分的空间中有一个粒子，但有些具有丰富星际气体的地带的粒子数量可能在通常的百倍到千倍左右。如此稀薄的气体使得冲压喷射推进系统的进气口要够大才能吸入足量的气体，基本上在星际气体通常含量的空间，进气口需要有直径数千公里的面积才行。但实际上真正的进气口会只有几百公里左右，再由进气口用线圈造出直径几千公里大小的电磁场漏斗来电离并吸引星际气体。　　这个方法的缺点是磁场的强度会非常高，会有数万到上百万特斯拉，而这种强度的磁场产生的拉力将会让线圈崩毁，因此必须用低重量高强度的材质固定线圈，构想中的方法是用钻石来束缚，但这个钻石本体也会有数千吨重。　　除了电磁漏斗吸引的方法外，也有另一种方法，即用电磁透镜聚焦星际气体离子。这种方法所需的磁场非常小，约数百到数千特斯拉，但电磁透镜必须放在进气口本体前几千万公里到几亿公里的地方，因而会造成一些困扰。想缩短距离则就必须加大电场，但这一来就会面临原先规避的磁场强度过高的问题。另外这种方法会有色差的问题，即聚焦不够精密造成的散射损失。这种系统的优点是不需要携带燃料，其所使用的燃料质量为星际气体密度乘以太空船进气口扫掠过后的体积，即最大进气口面积乘航行距离再乘以星际气体密度。但此类系统和所有的冲压系统一样，无法在低于某个速度的情况下使用，实际上这个临界速度约在光速的十分之一到十分之二之间。因此必需使用其它型态的推进系统作为第一节加力器，让太空船达到启动冲压推进系统的临界速度。再者这类系统也无法减速，而其所达到的超高速度也让使用他种系统减速十分困难。　　最后，这类第二种推进形式的系统因其不需要携带燃料（不考虑加力器燃料），因此不能使用火箭速度公式，必须使用另外的动量守恒公式。故在此不能用前面的标准太空船公式计算最终速度。就理论上而言，最佳喷气速度为光速的冲压喷射系统（即正反物质反应系统）所能达到之巡航速度等于装载了冲压系统航在线能吸入的所有星际气体的质量的反物质火箭所能达到的速度。但由于星际气体是正物质，因此最佳喷气速度不可能等于光速。　　若以核融合动力之喷气速度来看，则此类系统的效率将远高于第一种推进型态的核融合火箭系统，其可以用相同的质量比达到更高的速度。重点就是其完全不需要携带燃料，飞行越久吸入的星际气体就越多，故质量比也就越高。换句话说其最终速度乃视其飞行时间而定，属于一种变动质量比甚至是质量比近于无限大的系统。理论上是唯一可以进行永恒推进的系统（其它推进系统虽然也可以永恒飞行，但无法永恒推进）。因此此类系统乃是目前理论上能够最接近光速的系统。　　 　　卷一 太空航行导论 第五节 第三种推进形式：光压推进系统与磁压推进系统　　 　　如同帆船可以乘著风前进一样，太空船也可以乘著光前进。采用此类推进方式之系统被称为光压推进系统。电磁波是具有动量的，马克斯威尔导出的电磁场方程序中便已指出这点。　　光的辐射压效应是目前设计高轨卫星与行星探测船的主要考量因素，因为它造成的力矩会扰动太空船的航道，在一万哩的高度以上是太空飞行体的主要扰动来源。目前这种形式的光压动力被用在行星探测船上，

异形之用心

卷一 太空航行导论 第一节 太空航行器推进技术

　　任何离开地表进入太空，以及在太空航行的人造飞行体，其最根本的就是它的推进系统。没有它统其它的一切都不用提了，因此推进系统就是太空船的心脏。不同的太空船推进系统将会直接影响太空航行的型态。而所有推进系统的原理都是植基于物理学上动量守恒定律，简单来说就是出于以下几个原因：

　　一、所有推进系统都是使用根据牛顿第三运动定律的反作用力效果来使航行器前进。在地球上，主要是以外界的物质来作为获得反作用力的对象。比如陆地上用脚，或用轮子的摩擦力来产生反作用力，水面船舰用种种方法拨动海水以来获得反作用力使船舰前进，飞机则是以螺旋桨或喷射引擎等拨动空气来获得反作用力。就太空船而言则是由喷射气体或是由外界提供动能来获得反作用力而能前进。

　　二、在太空环境中的阻力为零。根据牛顿第一运动定律，任何速度不为零的物体必基于惯性而等速前进。因此在理论上任何太空航行器的航程均为无限大，这点由历年来发射的外太阳系行星探测船可以得知。航海家号以及先锋号都已经离开太阳系了，这些无人探测船都会以数十亿年的时间来向距离挑战。而载人的太空航行器受限于携带的空气，水与食物数量以及人类的寿命长度而导致巡航时间受到限制，因而会出现存在某个行动半径限制的续航力有限的情形。而在这种情况下，能在相同的时间内增大行动半径的唯一选择就只有增加巡航速度这个方法。

　　三、同样是由于太空中没有阻力这个原因，当我们想要减慢或停止太空船的运动的时候，必须要消耗携带的燃料来抵销原本的前进速度。这是导致太空航行器与地球圈内的航行器的运动形式差异的最重要的原因。地球上的航行器由于具有大气与水的阻力因素，因而只要把推进系统关闭，航行器速度自然会降为零。因此在大气圈内，燃料的消耗主要是用来对抗阻力以维持速度，同时其阻力亦限制了可以达到的速度上限。但在太空中没有阻力，或者严格来说，阻力趋近于零。因此关闭推进系统不会减低航行器速度，想要停止唯有消耗燃料作反向喷射，这造成了较大气圈内行行更大的燃料消耗量。另外必须注意的是这种情形也适用于太空船的姿态修正与小规模的轨道修正时的小规模运动中。

　　虽然原理相同，但是应用的方法则有一些差别。想以反作用力前进基本上有三个方法，推进系统也因此三种方法的差别因而可以分成三种形式。第一种推进形式是将自己的一部份质量往后抛掷，如此自然可以使剩下来的部分获得反作用力而前进。这种形式一般被称为火箭式推进系统，最有名的例子就是登月用的巨大火箭农神五号。

　　第二种推进形式则是拨动加速外界的流质藉此获得反作用力，简单的例子就是各式飞机与船舰，这些都是拨动空气与海水等流质前进。基本上这类推进系统有很多次形式，但能在其够使用于太空中的只有一种，就是冲压推进系统。

　　第三种推进形式则是纯粹以外界动力来推动，本身既不携带可以抛掷的质量，也不特别去拨动外界流质。而这种方法是最早被人类应用的系统，简单的例子就是帆船。

　　一般而言，评论各种推进系统优劣的主要标准是其能量利用效率，推进系统形式的不同将会对能量运用效率产生重大影响。另外即使是相同形式的推进系统，也会由于其所运用技术细节的不同而使能量利用效率出现巨大的差异，比如说使用核能或是化学能两者能量运用效率就有相当大的差别。最后的一种评估方法，则是各种进系统使用的燃料的能量价格。即使是能量利用效率较差，但如果价格较低甚至是免费的时候，无疑的会使其在经济上具有大的竞争能力。以下将简单的就三种基本形式的推进系统，及其使用技术不同而衍生的各式子系统的性能作一简单的介绍与评估。

异形之用心

卷一 太空航行导论 第二节 第一种推进形式之火箭推进系统

　　一般而言，火箭系统的燃料的能量利用效率为某种燃料所能产生的能量，称之为「比冲」或是「比冲量」英文缩写为Is或Isp 。采用公制时，Isp的单位为牛顿（产生的推力）除以公斤每秒（质量流量）。另外又因为牛顿的定义为对一个1kg的物体施以1m/s^2的力。经过单位简化，Isp的单位可以用简单的‘s‘，即秒来表示。另外，也可以将比冲量乘以地表重力加速度常数（9.8m/s^2）将其换算成火箭的喷气速度。

　　举例来说，化学推进系统约有200秒到480秒的比冲量，或是1960m/s 到4704m/s 的喷气速度。比冲越大的火箭推进系统可以在同质量的燃料消耗下输出更大的能量，让喷射气体可以较高的速度喷出。因此能以相同的燃料消耗率来获得更高的反作用力（即推力）。如果负载已经确定，则飞行器的速度将完全取决于其推进系统的喷气速度以及其携带的燃料量而定；但若想要增加飞行速度，则最主要还是以增加喷气速度为主。这是因为根据动量守恒定律，可以推导出火箭推进系统的燃料携带量与速度的关系。其公式为：

　　ΔV=Vc×ln{(M+P)/M}

　　或 (M+P)/M = e^(ΔV/Vc)

　　V => 火箭的速度变化量，初速为零的火箭之最终速度即为0+ΔV = ΔV

　　Vc => 喷气速度

　　ln => 自然对数

　　M => 火箭本体的质量

　　P => 燃料质量

　　(M+P)/M => 质量比

　　其中的 (M+P)/M也就是火箭本体加上燃料的质量与火箭本体质量的比值，称为质量比。其意义可以看成为火箭的运输效率。也就是消耗的燃料与能运送的酬载的比值。

　　由于P项是在ln函数中，因此在当ΔV/Vc的值大于1，即最终速度大于喷气速度的时候，火箭系统的质量比对于任何速度增加将会变的十分敏感，此时任何微小的最终速度要求增加都会让质量比成指数增长。假设有一火箭为达到最终速度ΔV，在从静止加速速的条件下需要携带质量为P的燃料。如果此火箭之ΔV大于其Vc，若有减速停止的需求，也就是在加速到ΔV飞行一段时间之后，于到达目的地后欲将速度停止。其意义相当于单程时的速度变化量V加倍 (加速减速等于两倍的速度变化，只不过施力的方向相反而已)。则加倍后其所需要的质量比将成指数性的增加，质量比将成为原先的 2次方，而非 P的两倍。这是因为用来让火箭减速停止的燃料所增加的额外质量同样需要在最初加速时增加额外燃料来运送的缘故。

　　另外，又因为火箭速度变化量ΔV和其喷气速度Vc成线性关系，因此若质量比不变，则只要把Vc加倍，速度变化量也会加倍，因此也就可以达成减速的要求了。由上面的关系很明显的可以看出增加喷气速度的效率远优于增加燃料携带量的效率，因此增加太空船速度的方式以增加喷气速度为主。喷气速度提高则代表太空船效率有飞跃性的进展。

　　但需要注意的是在讨论推进系统喷气速度之前，仍有一个重点必须加以考虑。也就是与一般的直觉上的看法完全不同的，喷气速度并非完全是越快越好。前面说过，推进系统的优劣评断主要在于其能量利用效率 (亦即燃料的利用效率) 。若不考虑其它因素而不断的增加喷气速度，则将会使燃料的利用效率降低，同时亦将导致飞行器所能达到的最大速度降低。当然有时候在极短时间内需要速度上的要求而不得不暂时牺牲效率，但这种牺牲是有一个界限的。

　　理论上每种燃料皆有一个最佳喷气速度值。这个最佳值乃是以该燃料的能量转换率来计算。举例来说，目前核分裂约有0.07% 的能量转换率，亦即一公斤的核燃料经过分裂，其中会有 0.7公克的质量转换成能量释放出来。因此其最理想的燃料使用方式便是将其携带燃料质量之 0.07%转换成能量，用以将其余的99.93%的质量喷射出去获得推力。如此可达到的喷气速度便是以核分裂为动力的火箭之理想喷气速度，具有最高的能量利用效率，过高过低都是浪费燃料。

异形之用心

如果以此核燃料为例，由于所能提取的能量由于能量转换率的限制被固定为 0.07%，因此想超过这个理想喷气速度只能减少喷射出去的推进剂质量，其结果可以经由简单的动能公式k=1/2*mv^2看出来。比如说若欲将喷气速度加倍，由于总能量 k不会改变，因而喷射出去的质量将只剩原来的四分之一，其余四分之三则必须以零速排出。而反作用力使太空船获得的速度的公式则是 MV=mv(国中的物理公式，还记得吗？)。因此很明显的，排气速度虽然加倍，但由于质量成为四分之一，故相乘起来获得的速度剩原先的二分之一而已。

　　由以上的例子可以看出，高于理想排速度就会浪费燃料质量，低于理想排气速度则会浪费能量。两者都会减低燃料运用效率。但须注意的是这是具有 100%热转换效率的「理想火箭系统」，实际上由于工程上的限制，能量利用效率通常会低于此理想值。而推进系统工程师的工作便是使喷气值尽量近理想值了。附带一题，能够得到的最高喷气速度的是由能量转换效率100%的物质－反物质对消灭效应的火箭系统，其喷气速度是光速。由于理论上没有任何东西可以超过光速。因此根据前述公式，理论上最佳的火箭系统即为使用正反物质对消灭效应的光子火箭，其理论比冲极限为光速除以地表重力常数9.8m/s，约为三千万秒左右。

　　另外，重要性仅次于燃料能量运用效率的则是推力。燃料利用效率高的系统不一定代表推力也会高。举例来说，汽车的加速能力和每加仑汽油能跑的距离没有直接关系。燃料能量转换效率影响太空船可达的极速，推力则影响太空船的加速度，推力越大的太空船可以在越短的时间内达到其极速。

　　基本上在民用太空船上，由于经济因素考量，推力的重要性并不高，但在军事用途的太空船上，加速度会影响太空船的反应速度。因此有相当的重要性。推力的另外一个重要性则是轨道投送时的影响。想要将太空船由星球表面推送至轨道上则推力必须够大，总推力必须大于重量方能将太空船推上轨道。另外越快将太空船推上轨道，受到星球重力的影响时间越短，损失的能量就越少。因此具有自星球表面起飞能力的太空船必须拥有巨大的推力才行。

　　现在来讨论火箭推进系统中各种子形式的优劣和运用范围。基本上各式系统可以其燃料种类来分类，再以推进方式来作进一步细分。目前已知的燃料种类基本上可分三种，即为化学能，包含核分裂与核融合的核能，以及以反物质与物质对消灭产生能量的反物质燃料。就推进方式而言，则第一种推进形式的火箭推进系统可依应用技术的不同分为热推进系统与电磁推进系统，加上第二种推进形式冲压推进系统与第三种推进型式的光压与磁压推进系统。

　　所谓的热推进系统，即为以燃料产生热量来加热工作流质，使其以高速喷出以获得反作用力的系统。这是目前最常见的系统，这类系统的特性是拥有相当大的推力，但缺点是其燃料效率会受限。这是因为工作流质的喷射速度与燃烧室内的温度和压力成正比，但温度和压力并不是可以无限增高的。燃烧室的温度承受能力会受到材料因素的限制，另外还必须考虑热转换时的损失，通常无法达到理论上的最佳喷射速度。

　　电磁推进系统则是将燃料转换成电力输出，以此电力驱动线性马达，用以发射带电粒子如电子，离子与电浆等来获得反作用力。这类系统由于没有温度的限制，可用十分逼近理想喷气速度的高速度来喷射其工作流质，因而燃料的能量转换效率十分高。缺点是由于作为推进工作流质的电子与电浆质量太小，因而其推力十分低。通常需要以极长的时间来加速方能达到极速。且由于推力过低，无法用于星球表面的抗重力上升的需求。

　　冲压推进系统则可算是热推进系统的一种，但由于其特性将其独立出来自成一类。此种系统乃是吸入星际物质用以做为燃料与推进剂工作流质，优点是可以加到极高的速度，缺点是无法减速煞车。

　　最后是光压与磁力压推进，这是采用外部能量来源作为推进系统，本身并不携带或仅携带极少燃料，因而可规避上面的火箭速度公式限制，用很低的能量消耗达到很高的速度。缺点是推力相当低，加速时间长且航道固定。

　　以上的系统并非是互斥的存在，基于其特性，具有同时存在甚至是混和使用的可能性。为求易于了解，这里设定一艘标准太空船来作为不同推进系统效能的比较参考。其基本资料设定为：

　　太空船本体质量 100000t

　　携带燃料质量 10000t

　　太空船全重 110000t

　　质量比(M+P)/M 1.1

　　以这个标准平台来作为不同推进系统比较的比较平台。也就是说，我们以这一艘太空船与如此的燃料携带量作为参考基准，更换使用不同的推进系统，视其速度状态的变化来评估各种推进系统的特性。所要比较的各式推进系统将在下一节叙述。

[ 本帖最后由 异形之用心 于 28-12-2008 09:30 PM 编辑 ]

异形之用心

卷一 太空航行导论 第三节 第一种推进形式之各式火箭推进系统

　　1.化学火箭推进系统

　　这是目前普遍使用的推进系统，算是十分原始的推进系统。其以化学物质间的化学反应来提供主要动力。以目前的技术，化学火箭的比冲在 200秒到480秒之间，喷气速度Vc大约在3~5km/s左右。化学推进系统除了化学能的能量转换效率之外，还有工程学上的热度与燃烧室压力限制等问题存在。即使未来的化学推进剂的改良达到巅峰，其Vc也不太可能超过10km/s的水平，因此其前景有限。若装备Vc约为 5km/s之化学火箭推进系统，则标准太空船所获得的ΔV为477m/s。

　　化学火箭的优点是和其它火箭相比，引擎重量非常轻（较重的部份是燃料的重量），并有极高的推力，可推送大量载荷抗重力上升。缺点就是这个 477m/s的ΔV与其它形式的火箭比起来实在太小了。化学火箭理想喷气值约为 5000m/s左右，目前的化学火箭工艺技术至少在喷气速度方面已经达到极限，进一步的发展主要是在系统减重，减少价格与寻找更有效率的新燃料方面。不过如前所述，所能增加的效果也是极为有限的。

　　2.核分裂式推进系统之一，核分裂热推进引擎

　　这是以核分裂作动力源的推进系统。其燃料主要是铀235或是钸239。就能量利用方式的不同可以分几个支系。以火箭系统的支系而言，是以核分裂燃料产生热，加热燃烧室中的工作流质（即推进剂）使其喷出。通常采用分子量最低的氢作为获得反作用力的工作流质以求得最高的喷气速度。美国在六零年代曾经进行过一项称之为「核子引擎火箭推进系统应用」的研究计画，（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications,NERVA）测试过这类核子火箭的可能性。

　　NERVA没有实际升空测试，而是把引擎放在地上，喷气口朝天喷射的大规模引擎测试计画。这个计画中建造了十数部引擎，密集测试了数十次。其中测试机组中的最高出力约为1130MW，比冲约为 850秒，推力从一万磅到二十五万磅的都有。最高记录曾以全功率连续运转28分钟。而且这些只是以 60年代的技术作出来的测试用引擎，便有90年代最先进化学火箭两倍以上的比冲量。以这个测试用引擎的能力，约可使标准太空船达到 794m/sec的 ΔV。而此种引擎的理论理论比冲值约在750秒到1200秒之间。

　　NERVA 研究计画后来在80年代美国政府删减火星登陆计画预算时中止，所有设备皆被弃置，但宝贵的测试资料与经验都留下来了。如果需要的话，这种引擎是能在最短时间发展出来的优秀次代火箭引擎。和尚未成功的受控核融合火箭相比，这种核分裂火箭用的是已经成熟，相当实际的技术，只要投下经费，十年内便可建造出可靠的引擎装到太空船上。

　　另外一方面，即使NERVA 计画结束，大量理论方面的基础研究并未跟著停止。就核分裂热推进系统而言，理论上具有另一种较为优秀的引擎存在，即气态核心反应炉。这是相对于NERVA 计画中使用的固态（石墨）核心反应炉而言，以铀电浆与氢混和的气态炉心反应炉。其比冲潜力在5000 秒~10000秒之间。这类引擎的困难与受控核融合炉有点类似，皆为炉心高温气体的处理相当麻烦。不过由于其并非欲进行核融合，气体温度仅约摄氏数万度，远较融合炉的数千万到上亿度为低，因而难度低了许多。若取理论平均值7000秒比冲来计算，则使用这类系统的标准太空船之ΔV可达到6538m/sec。但这类系统，包含固态炉心的 NERVA计画都有个相似的缺点，即其排气具有放射性，因此不能在地球上使用。在太空中则无妨，因放射性气体会很快扩散开来。核分裂系统的理想喷气值约为11200km/s。

　　3.核分裂式推进系统之二，核分裂电推进引擎

　　这种系统简单的来说，就是用核电厂发电，以电力来加速发射带电粒子来获得推力。当然这个核电厂的体积和重量必须缩小到能够装进太空船中才行。而小型核电厂已经算是相当成熟的技术了，例如目前最小的核子潜舰排水量才两千吨左右，因此基本上此类系统问题并不大。而发射的带电粒子则可从电子到各式离子与电浆等范围，视需求而有不同。基本上为求得较高的推力与较快的加速度，工作流质以质量较重的金属离子或电浆为主。若是要求效率的话则就以发射较轻的粒子如氢离子来得到较高的喷射速度。

异形之用心

要注意的问题是需保持太空船的电中性，若是一直制造并发射正离子的话，太空船就会累积负电荷，因此得在离子喷射口中一并喷射电子。若是用电浆推进系统的话则无此问题，电浆本身就是电中性的气体。这类电推进系统的比冲非常大，通常约在1000秒~10000秒之间，这是以光电池等一般动力输出得到的比冲值。但其潜力不止于此，若是能以核分裂动力提供源源不绝的能源来加速很轻带电粒子，则具有把比冲提高到100000秒的潜力。以具有100000秒比冲的引擎来计算，标准太空船约可达到 93404m/sec的ΔV。

　　这类系统的缺点是推力非常低，其为了效率必须使粒子加到极高的速度喷射，但粒子的质量非常小，单位时间内能喷射的粒子质量有限因此获得的推力很低。故采用此种系统的太空船加速度会非常低，一般大约在 10的负5次方个 G左右。因此必须持续数周到数月的加速才能达到设计上的最高速度，同时也不可能推动太空船从星球表面起飞。

　　4.核融合式推进系统之一，受控核融合推进系统

　　这是把前面的核分裂热推力引擎的能量来源改成核融合，基本原理是一样的。基本上较受到注意的反应方程序有以下这几个：

　　D + D -> T + p + 3.25 MeV

　　D + D -> He3 + n + 4.0 MeV

　　D + T -> He4 + n + 17.6 MeV

　　D + He3 -> He4 + p + 18.3 MeV

　　四个方程序中最有效率的是第四个氘与氦三融合的反应，且此一反应不产生中子，几乎毫无污染，安全性非常高。但地球上不产氦三，只在核子炉中有少量生产，因此价格较高。月球表面氦三倒是很多，但必须建立开采能量。而第一个两个氘之间的融合则原料比较便宜，氘可以从海水中提炼出来，不过这个反应效率较低。第二第三个反应则会产生中子，会有较大的中子射线屏蔽的的问题。

　　使用受控核融合引擎，则随著不同的需求会有不同的比冲值，理论比冲值潜力在1万秒到200万秒之间。比冲值的差异在于混入气体的调整。简单的来说，如果在融合炉开个出口，让氘与氦三反应产生的电浆慢慢泄漏出来，用融合反应产生的能量将这些电浆喷射出去，（也有直接用反应炉开洞喷射的方法），就可以得到秒速两万公里的极高的喷气速度，因此而能有约 200万秒的比冲值。但是基于与电推动系统相同的道理，电浆的单位流量质量非常小，所以虽然喷气速度高，推力却不高。但如果在从融合炉排出来的微量电浆里加入氢混和之后再一并排出去，则由于混入氢之后喷射气体的质量提高了，使喷气速度Vc下降，比冲值也跟著下降，但推力却可以大幅增加。将氦三－氘反应电浆与氢以 1:99的比例混和，即喷射排气中含有99%的氢的时候，喷气速度会降成秒速一百公里，比冲值约为 10000左右。

　　故此种受控核融合推进系统可以用调整氢气导入量来改变推力，在一些需要大推力如超越重力梯度的星球起飞或是紧急加速时非常方便。但这就会造成短时间内效率的下降，会稍微降低太空船的最终速度。附带一提的是，第四个公式的氘和氦三反应产生的是氦四，氦四是一种惰性气体，不含辐射线，所以第四个公式反应之引擎加上氢气喷射的标准太空船可以直接从地面起飞，不会有辐射污染的问题。唯一的问题是这种引擎的出力太大，起降场地面积要很大，且清场得清的干净一点，任何太靠近的人都会倒足大霉。以两百万秒的比冲值，秒速两万公里的喷气速度来算，则约可使标准太空船达到 1906km/sec的ΔV值。核融合基于其理论能量转换效率，其理想喷气值约为26800km/s。

　　5.核融合式推进系统之二，核融合脉冲推进系统

　　虽然受控核融合技术尚未完成，但目前也有可以立刻使用的核融合推进方法，就是引爆氢弹来推动太空船。这种方法被称为核融合脉冲推进或是爆震推进。基本上的设计是这个样子的，以数吨到数百吨TNT 威力等级的小威力氢弹做为燃料，作成微型氢弹燃料球，每个燃料球直径大约只有一两公分。然后在内藏或外部的燃烧室中央以高能聚焦电子束或是雷射束来点燃这些微氢弹来诱发爆缩式的核融合反应。这些氢弹爆炸后将会产生高温高压电浆，然后与混和的氢从燃烧室喷射出去获得推力。

异形之用心

这种系统构造惊人的简单，燃烧室强度不需要很大，因为每个氢弹球的威力是可以事先调整的，只有数吨TNT 甚至是只有公斤级TNT 等级威力的微氢弹也是可以作得出来的。以目前的技术，完全可以做出可以承受此种等级爆炸威力的燃烧室，当然燃烧室外层还是要装上超导线圈，弄出磁场来减少电浆对燃烧室壁的侵蚀，同时巧妙灌入的氢气也可以有效保护燃烧室壁。

　　即使是小威力的微氢弹，如果以每秒数十枚到数百枚的流量射入燃烧室内引爆便可获得相当高的总推力，且此推力可由调整氢弹流量而调整。这可以用简单的机车二行程引擎来想象，在二行程引擎中也是用混和油气的爆炸来提供动力，同时用调整油气流量来得到不同的加速度。驾驶员只要转动油门便可以加速。

　　这种系统除了氢弹燃料球流量外，与受控核融合引擎相同的也可以经由导入燃烧室混和的氢气数量来改变推力。这类推进系统已经经由成功的试飞实验证实，不过用的燃料不是氢弹而是炸药。刚开始实验时那些科学家曾不小心把测试火箭炸成碎片，不过后来经过一些调整，成功的把小火箭发射到数十公里的高空。由于是用连续的爆炸脉冲推动火箭，所以称这类推进系统为脉冲式推进或爆震式推进。

　　这类系统的比冲潜力约在一万秒到一百万秒之间。还有系统构造极为简单，造价非常低的优点。缺点是比起受控融合炉的液态燃料储存方式，固态的燃料球在贮存与运输上都会比较不方便，占的空间会相当大。使用这种推进系统的标准太空船之ΔV是受控融合系统的一半，约953km/s左右

　　另外必须一提的是，脉冲推进法也可以用在化学燃料与核分裂燃料上。对于化学燃料使用这种方法的效果尚在研究，但是就核分裂燃料而言，使用此法有一些先天缺陷存在。就核融合而言，当量是没有限制的。大到太阳等级的核融合反应，小到只有几毫克电浆的融合反应都没问题。所以可以把单次爆炸威力减低到燃烧室可以承受的地步，再用多次爆炸来维持推力。但对于核分裂而言则存在著一个临界质量，只有在超过临界质量的情况下才会产生连锁式核分裂反应。因此至少要有一定质量的分裂物质才能产生核分裂，换句话说，爆炸威力是有一个下限的。这个下限随著分裂原料的不同，大约是数千吨到上万吨TNT 当量左右。而一般的燃烧室无法承受这么大的威力，因此必须使用开放式的外部爆震推进法，而这会造成能量的浪费。且即使是使用此种方法，想承受每次数千吨威力的爆炸，对于太空船的结构将是一个很大的考验，更伤脑筋的是中子源等辐射屏蔽的问题了。因此在技术上，反而是核融合脉冲推进系统较为简单易于被接受。

　　6.正反物质的对消灭--光子火箭系统

　　此种推进系统乃是火箭系统理论上的极致。以正反物质对消灭来获得能量的光子火箭，可以极限速度光速来喷射光子或光波获得推力。因此其理论喷气速度达到上限，为每秒三十万公里，比冲值上限约为三千万秒。装备这个系统的标准太空船可获得约 28600km/sec 的ΔV，远高于前述任何推进系统。但同样的，光子的等效质量非常低，因而推力会很低。想增加推力唯有靠老方法，于对消灭反应炉中导入氢气，代价就是降低比冲值。

　　不过与核融合反应炉不同的是在对消灭火箭中这是两个不同的反应过程，需要用不同的系统。就核融合炉而言，进行反应后产生能量，并融合成氦四的电浆气体仍是以电浆形式存在，其以热能的方式提供能量，之后可以直接将这些融合后的电浆气体以热能喷射或以电推进的方式推动喷射，是否加入氢气并不影响这个过程。但在正反物质对消灭中，燃料将完全消灭，剩下来的是以光子型态的能量，使用反射镜将这些光子集中成一束单向发射来进行光子推进获得推力，这就使得此类系统必须以光子这种极低等效质量的粒子为唯一的推进剂。若是想用导入氢气增加推力的方法，则必须回到类似于融合炉之类的密封燃烧室设计，只不过在其中以正反物质歼灭来取代核融合反应，但这种设计将无法进行最高效率的光子推进。换句话说，高效率光子推进系统和可变推力系统是两种不兼容的系统，必须独立存在。

　　也就是说若是太空船想以反物质燃料同时获得高效率推进与大幅推力调整的能力，则必须同时装备这两种引擎。当然两者可共享同样的反物质燃料槽与液氢槽，但液氢槽容量将远比反物质储量大，其中将只有少部份用于对消灭反应，绝大部份则是供给推力调整引擎作为被喷射出去的推进剂。这实际上已经可以算是一种混合式推进系统了。光子火箭的缺点是推力太低（不考虑可变推力系统的话），反射高能光子（γ射线）的反射镜制作极为困难，还有反物质燃料十分昂贵。

　　就燃料而言反物质是可以人工制造的，而且不需要任何特殊原料。物质和反物质实际上便是冻结了的能量，因此可将能量转换成反物质。目前在回旋加速器进行高能粒子碰撞中已可产生并收集反粒子，但由于所需能量太高因而产量极低。以目前的技术水平，反物质的生产成本为每毫克三千亿美金，这当然是不可能被接受的价格。但由于反物质的能量转换效率是理论上最高的一种，具有极高的应用价值，因而将来反物质的生产可会能成为一个大规模的产业。构想中的方法是，在水星以内的环日轨道上建造超大型的回旋加速器，并配置大量太阳能光电板与太阳热电力的方式发电，以太阳的巨大的能量来生产反物质。整个系统的建造成本会很高，不过维护操作成本就会很低了，原料则完全不需要，只要太阳没有停止发光就成了。

　　7.太阳能火箭的最新发展，太阳能电推进系统

　　这是与核能电推进系统完全相同的系统，只不过动力源改成太阳能。此类系统是目前人类的技术结晶，且已有现货。已于98年10月24日发射第一艘使用此类系统的太空船，即Deep Space 1深太空一号。将来的行星探测太空船大部分都会装上此类系统。它使用新型更轻更薄的高效能太阳能板，发电效率远比旧式太阳能板高，故可以让离子引擎在远地行星如海王星，冥王星一带有效运作。将来的大型太空船也可以装上此类系统。这可以说是将来太空船的主要推进系统，因为可以直接由日光中取得能量，故效率在第一类推进系统中排名第一。自然在需要更高加速度与远离太阳的地方需要与其它推进系统如核融合系统配合。核能电推进系统的推进器与太阳能电推进系统是完全相同的，所以可以使用同样的推进器，同时装设太阳能与核能两种动力源，这也可以减低系统的重量。

异形之用心

一般金属的固体音速在每秒5000~8000公尺左右，然而在在二次大战中发展出来，到今天仍十分普及的的成型装药与自锻破片技术，便已经能够能发射秒速度达数千至上万公尺的半固体喷流或金属块来进行穿甲。事实上，目前所有的反战车飞弹与RPG等，均使用此种技术，而这些都是金属装甲所难以抵挡的。

　　而对于磁道炮而言，只要略微加长投射轨长度，投射体速度便可以轻易超过秒速10km。而没有达到秒速100km的磁道炮，在太空战斗中是毫无用处的。至于粒子炮投射的粒子团块速度更可以高达光速的95%，在这种情况下使用单纯的金属装甲根本毫无意义。即使是用太空提炼的超级合金来作为装甲，也很难改善这个问题。因为炮弹速度的增加远比金属材质性能提升改进的速度快的多了。

　　简单来讲，太空船不能期待舰体装甲可以挡住包含粒子炮在内的实体弹穿透性打击，因只要被命中就一定会穿透。舰体装甲要防护的只有雷射炮的烧蚀攻击与脉冲打击。以及在平时防护微流星体的低速(相对于粒子炮与轨道炮)撞击。最后，必须在某些区域防护电磁波与辐射的穿透以保护重要电子仪器与乘员的安全。因此太空战舰将会使用拥有许多夹层，中间灌以高分子热吸收液体的特殊复合装甲为主，并且在乘员舱与指挥舱等地再加上合金、水冰与多孔铅合金等夹层来当作最后一层的撞击与辐射防护。而这一类复合装甲的厚度可能很大，但重量将会相对较轻。

　　此外，在舰体乘员舱与引擎区附近的外壳，应该还会加上超导电磁线圈来做外层的电磁防护。并且亦有可能在战斗发生时，于重点区的船壳周围往外喷洒烟幕微粒来削减光束武器的攻击威力。象是这类微粒式武器干扰系统虽有一定效果，但是质量消耗将会很快，因喷出的粒子将很快扩散，又必须全程自行携带（现代海军会以喷洒水幕的方式来进行红外线讯号遮蔽，然其因可以直接吸取周围海水喷洒故不虞缺乏，而太空船舰则无此环境），所携带之质量将很有限，不足以维持全舰遮盖，因此只能拿来在短时间内保护重点区域。

　　在这种情况下，当船舰面对攻击时，将会使用前述的环形喷射口群组实施喷射，迅速进行小范围的随机闪避动作以干扰敌方瞄准来闪避攻击。最后，被炮火或微流星撞击穿透的装甲与舰体内部设备，可使用前述的机器工蚁群来实施快速维修，使之尽快恢复功能。简单来讲，船舰将以闪避(含干扰)与强化损管能力来面对攻击，而非以装甲来硬挡。事实上，这种情况与现代的海军是非常相似的。至于二十世纪的现代空军则是闪避攻击，但无空间与能量来执行损管作业。

　　八、护盾系统

　　电影与动画中常出现的可挡住光束武器的力场护盾系统，基本上是不可能在现实生活中出现的。因为并未有支持这种效果的理论存在。

　　当然在未来，若重力波的物理特性获得证实与解析，并且人类能制造出有效的重力波控制器，则让光束武器偏转并非不可能。然而这里有件所有漫画与电影都忽略的事：你无法只偏转敌人的武器，甚至无法只偏转武器。如果敌人打来的光束可以被偏转，则己方发射的光束将同样会偏转。此外不只武器光束偏转，连侦测用的光线(光线也就是电波，只不过频谱不同)也将一起偏转。

　　事实上，重力控制器将干扰甚至封闭整个空间（也许是舰艇周围的一个小空间），当空间受干扰或甚至封闭，则不只光束，任何物体，包含飞弹与轨道炮都会全部偏转。事实上，当一个重力控制器将船舰空间完全封闭时，等于创造出一个小型独立宇宙，将内外空间区隔成两个不同的宇宙，此时以重力控制器产生球形空间的舰艇将会凭空消失，无法以任何外部仪器加以侦测，同时其空间内部也将无法得知外部的讯息。如果真的发生这种状况，与其说这艘舰艇启动护盾，不如说它已经逃入超空间比较恰当。并且重力控制系统甚至可能会有惯性控制的效果，而这将使一艘数千万吨的巨大战舰拥有战斗机的灵活机动力，将可能会彻底推翻火箭推进理论这个太空作战借以运作作的基础

异形之用心

卷二 太空战斗导论 第三章 侦测、反侦测与通讯篇

　　

　　一、太空作战中的目标侦测方式

　　想要作战，首先便是要能找到敌人，其次则是要防止自己被敌人找到。至于在太空中如何侦测目标呢？基于环境与匿踪的需求，主要会以电子光学监视系统的被动侦测为主，而不会是目前的电波雷达。使用电波会有两个问题：

　　(1)失效的机率极大

　　即使是在今天，结构外型与电波吸收材料的发展已经使电波的索敌能力大幅弱化。而将来这方面的进展则会更明显。此外太空船外型没有航空机之类的气动限制，因此能够以匿踪为设计时第一优先需求，无所不用其极地降低RCS(雷达反截面积) ，故使用雷达可能根本侦察不到目标。

　　(2)泄漏己方位置

　　雷达波一去一回，在己方能接收到足够强度雷达波以判定目标的距离之前，敌方会先以此来定位己舰的位置。假如雷达侦测范围是10光秒的话，来回即为20光秒，这表示敌方在20光秒外便可接收到相同强度的讯号从而得知己方的位置。

　　基于以上两个原因，雷达的唯一效用可能只剩航道陨石搜索闪避的功能，并且主要装在民用船只上。至于作战用的军舰则会使用被动的电子光学监视系统。

　　所谓电子光学监视系统，事实上就是一种电子光学望远镜。一般的望远镜必须将目标拍成照片，但照片的数码化需要人力介入故难以进行持续监测。而电子光学望远镜乃是使用大量的 CCD阵列(注)构成的望远镜。此种望远镜获得的的分辨率取决于 CCD的质量与数量，扫瞄到的资料直接以数码档案的结构储存并以计算机进行全自动的处理。配合强力的计算机，此类系统可以对广大宙域进行长期的全时监视侦测扫瞄。此外，军舰除了电子光学望远镜外，也会装备其它的光学望远镜，比如用以侦测中红外线与远红外线的系统。

　　注：CCD，Charge Coupled Device电荷耦合元件，用来作数码相机、望远镜的基本感光构成元素，其感应范围为波长在 400～800nm的可见光以及波长800～1200nm的近红外线区段。目前最新型的CCD有更大的感测范围，除原本频带外，红外频谱感测范围可以增加到1200nm~1500nm， 也就是涵盖近红外线的全部频宽。此外也已经出现可以侦测波长在350nm～100nm的紫外线频谱CCD。

　　电子光学监视系统基于其可以长期监视大范围面积的特性，于70年代就开始被用在需要24小时监视地表的早期预警卫星上。如美国的DSP 国防支持计画里的早期预警卫星便是使用电子光学技术，目前的 DSP卫星携带一组口径3.6公尺，拥有6000个CCD元素的望远镜，可以从三万六千公里的同步轨道上侦测到地表飞弹发射时的尾焰。而用以接替DSP卫星的次代系统名为SBIRS(Space Based Infrared System,天基红外线系统)，分成高轨与低轨两个次系统，拥有更强的能力。除了可以侦测飞弹外，还可以侦测喷射机的尾流，甚至可以侦测轨道上已与推进段分离，温度极低的飞弹弹头。并且其由于同时配置了IR扫瞄阵列与凝视阵列，使其能够在扫描一个较宽区域的同时集中探测一个较小的区域。当有导弹发射时， SBIRS高轨道卫星的扫描阵列可迅速侦测导弹排出的尾焰，而凝视阵列则能持续跟踪尾焰，此种方法使其能连续精确地跟踪导弹的轨迹。

　　另一个例子是美国的陆基远太空光电监视系统(Ground-Based Electro- Optical Deep Space Surveillance,GEODSS)。 GEODSS是美国专门用来监视地球轨道上所有人造飞行物，特别是高轨卫星的侦测站。此系统为在地球纬度相近的地区建立5个光电观测站以组成一个全球光电空间监视网，这5个工作站分别设在白沙(新墨西哥)、毛伊(夏威夷)、大邱(韩国)、迪亚哥加西亚岛(印度洋)、葡萄牙南部地区。GEODSS系统使用电子扫描技术，将望远镜观测到的图象转变成电信号，经计算机处理，滤掉目标周围的星体，在电视监视器上以光纹线形式显示目标。此一系统所使用之主望远镜为口径一公尺，由4096x4096个CCD元件组成的阵列，可以在同步轨道上(三万六千公里)侦获篮球大小的目标，效率远高于雷达或旧式的光学望远镜。

异形之用心

而敌人的点防御系统虽然有能力拦截飞弹，但距离要近到一两光秒内才有可能，因此若侦察飞弹真的被摧毁，在之前一定可以先发现敌人。

　　总而言之，这是一种无人的小型高速长程战略侦察机的概念。地球上的长程战略侦察机一定很大，可是宇宙中只要是自动飞船的话，航程就是无限的，因此一两百吨的小行飞弹就可以达到长程侦测的效果。

　　二、反侦测的策略

　　相对于太空战舰的强大侦测能力，其反侦测能力就比较低了。

　　关于雷达匿踪部分几乎可以视为100%，也就是说，宇宙军舰是绝不可能被雷达侦测到的。这不是什么神奇技术，就在今日的地球上，匿踪技术便已经进步到非常接近此种理想的等级。目前世界海军最新型匿踪舰是2001年下水的瑞典 Visby级飞弹巡逻舰，其匿踪能力强大到即使在海象良好的情况下，也要接近到22km才会雷达发现，恶劣海象下搜获距离则会减至13km，如果再配合电子反制措施，上述两种情况下被雷达发现的距离分别进一步降至11km 与8km 。这四个数字都低于其上所携带的武器射程，甚至也低于目视距离。而未来在太空战舰上，雷达匿踪能力只会更好不会更差。

　　最大问题在于对于被动光电侦测系统的匿踪与反侦测。受限于热力学第二定律的根本理论限制，这个问题是无法可解的。所谓天要下雨，娘要嫁人，天意如此，谁都没办法。

　　有人可能会这么问：「任何定律都可能被推翻，说不定哪里一天热力学定律被推翻，或者出现了新的定律那也未可知啊？」

　　这个问题问的好，答案是如果哪里一天热力学定律被推翻，那么我们也不需要搞什么宇宙战舰光学匿踪了。因为若是热力学定律被推翻，则死人就可以复活了，到时还匿什么踪打什么仗？

　　以上这可是千真万确，不是说著玩的。不要以为这是在开玩笑啊^^

　　闲话休提。虽然做不到被动侦测的光学匿踪，不过也有增加敌方侦测难度的方法。但是需要注意一点，不管再怎么侦测，效果都很有限。绝不会像雷达匿踪一样能达到数千数万分之一，甚至完全匿踪的地步，能把对方的侦测效率降低一半就已经很了不起了。其策略大致如下：

　　(1)以背著恒星、行星的角度攻向敌人

　　这是最直接的想法的。这种战术自从飞机发明以来，是蛮受欢迎的战术。不过执行这种战术得要有个先决条件：必须知道敌人的位置，至少大致知道其来向。只有这样才能让自己移动到与恒星和敌人成一直线的位置。也就是说，得先侦测到敌人，或是设定对方行动路线才行。

　　这虽然有一些难度，但还是有可能的。因为光学系统还是会受到某种程度的逆光影响，因此位置的不同，背光与逆光的差异会让两方的侦测距离产生一些差距。而这不必完全背对恒星行星，相对位置够就会有一些影响。

　　需要注意的是，这种方法有使用限制，一般只能在火星以内的近日行星使用，即使在火星轨道，日照也只剩地球轨道的一半而已。在远一点的行星轨道，太阳的效果就会降低。而日照的威力是随距离的平方而下降的，在冥王星轨道看太阳时，只不过是一颗比较亮的星星而已。这在航海家二号飞过冥王星后，转身对太阳系作最后回顾时所拍的照片里面可以清楚的看出。

　　其次就是，即使一艘船在近日行星背著太阳，但不会就因此而使对方看不见自己。侦测系统仍然可以搜获背对太阳的目标，最简单的方法就是使用掩星效果。玩过天文望远镜人应该会知道拍摄所谓「水星凌日」的方法，那就是将望远镜对准太阳，放张纸片在观测位置上，则当水星横越太阳时，其遮住太阳的影子也会跟著投影在纸片上，这就可以清楚的看见「水星凌日」的效果。这种观察阴影的技术就是侦测背对恒星、行星目标的理论基础。

　　人类不能或是很难用肉眼看见背对太阳的目标，但这可不表示机器办不到。大部分人应该都看过在太空中直接拍摄的巨大太阳的照片，这些照片的存在本身就是最大的证据。

　　现实中存在有所谓的「太阳观测卫星」，主要工作就是专门拍摄太阳的照片以研究太阳。这一类卫星有NASA的先锋五号(Pioneer-5)、 OSO系列一至八号(Orbiting Solar Observatory,轨道太阳观测台)，SMM(Solarmax,太阳峰年)、 TRACE（Transition Region and Coronal Explorer），NASA和ESA(欧洲太空局)的国际共同合作的 SOHO(Solar and Heliospheric Observatory)、尤里西斯 (Ulysses)，日本的阳光号等等，甚至连太空实验室(Skylab)都拍了15000多张太阳的照片。

异形之用心

注：NASA的太阳观测卫星SOHO的网站，其中有许多太阳照片

　　http://sohowww.nascom.nasa.gov/

　　事实上，观测太阳是有必要的。因为观察太阳表面、黑子与日珥的任务是预测太阳风暴的重要程序。太阳风暴会干扰通讯与电子仪器，影响信息流通与交通，特别是民航航线、卫星与太空飞行任务等受到的影响最大。目前NASA与各国的天文台、气象局都会在需要时对一些单位如民航单位、太空单位甚至电信单位等发布太阳风暴警告。而这些警告的主要资料来源就是太阳观测卫星。同样的，太空船舰也需要知道这类信息，而他们的资料来源就是自己观察。

　　一般要拍摄太阳相片的方法，就是以特殊滤镜挂在望远镜头上拍摄。而光感阵列的电子光学系统则会使用特殊的元件的阵列来拍摄，或者也可以让入射光先透过滤镜。前面曾提到的全频谱同步扫瞄处理流程中就可以同时包含滤镜和特殊光感元件这两种元素。当面对太阳、行星时，入光量检测器会改变线路让入光进入强光对应路径。而背对太阳、行星的目标，就会在明亮背景上留下清楚的影子。

　　因此背对太阳的方案虽然有其效果，但最多也只能使太空船在这个方向的侦测距离降低一两个百分点而已。不过即使是一个百分点，也总比完全没有好。特别是在双方距离十分遥远，正在进行战略机动的时候，此法还是会有点用处。因此在可能的情况下还是会使用此种战术的。

　　(2)近距离核爆闪光干扰

　　因为太阳本身就是一个无与伦比的超级大核弹，因此前述的强光对应机制也可以应用在此种情况下。不过极近距离核爆的辐射线、热能可能会破坏船壳上的某些光接收器（但这不属于干扰而应属于战损）。因此太空船表面会常驻有自动或遥控的机器人修理队，以在需要时即时抽换的方式随时替换修理坏掉的光接收器阵列元件。当然，这些机器人同时也会修补船壳破洞与其它外部受损的系统（如果有的话）。

　　另外需注意的是，此种干扰方式只在两方交火之后才会发生，或者说属于作战时的附加效果。当两方都处于战前索敌状态，连对方的影子都还没看到时，缺乏射核弹的目标，如此自然是无从对敌加以干扰的。而前述的与星球相对位置的干扰效果则视双方战略位置而定，有可能在交火前就能发挥效用。

　　(3)释放烟幕干扰

　　在太空中使用烟幕？这可不是简单的打开瓶盖就好了。首先在超真空的环境中，气体会以极高的速度扩散稀释。其次由于太空船是以极高速度前进，在我们的设定中是秒速一百公里，这一来烟幕需要覆盖的空间就小不下来，连带的量也会十分庞大。

　　很多SF与FHN(比如钢弹、银英传）里面都有粒子散布的场景，其实其设定里面最大的问题就是粒子密度的问题。比如米诺夫斯基粒子、指向性杰服粒子这些的，到底需要多少才能产生效果？大家不妨计算一下构成粒子烟幕的条件，看看一方公里的空间中需要释放几吨的粒子才能达到需求。若是在一万「公里立方」的「极小规模」战场空间又需要多少吨的粒子。

　　我们不知各种粒子「战斗浓度散布」的浓度是多少，姑且以地球表面空气密度为基准，标准大气的海平面密度为其质量为每 1.225公斤／立方公尺。以这个密度在一立方公里的空间内平均散布粒子，总共需要 1,225,000吨重的粒子质量。

　　银英传里的战舰重量多少？查不到资料。不过钢弹倒是有的。鼎鼎有名的原祖飞马级强袭登陆母舰白色基地，全长250公尺，重量68000吨。换句话说，要在一公里立方的空间中释放米诺夫司基粒子，使其达到一般大气空气的密度，所需的质量相当于18台白色基地。

　　不要忘记，宇宙战舰会以高速前进，所以在小区域内释放粒子是没有用的。假设有一万艘秒速100km的战舰以100公里间隔构成一个垂直正方形。整个阵型在100秒内将会航行前进10000km扫过的体积为一万公里立方，则要在这个方块以标准空气的密度来填满粒子，不管是烟幕、杰服或是米诺夫斯基粒子都行。总共需要几吨的粒子呢？答案是1.225e16，也就是 1.225乘十的十六次方公吨的质量。

异形之用心

我们把标准放宽，把粒子密度降到标准空气的一亿分之一好了。这样可以减去八个零，剩下1.2250亿吨而已。从这个计算，我们可以简单看出在太空中施放烟幕／粒子的可能性非常低。

　　简单来讲，太空之所以称为「空」，是有他的理由的。

　　(4)指向光束主动干扰

　　就是直接用强力光束去干扰敌舰。其性质类似于电波雷达时代使用指向电波实施压制性干扰。此方案的前提条件也是要先侦测到敌人，而且要有足够的目标精确度才行，不然干扰光束无从对准敌舰。故一般只能用在交战时。

　　一般而言，与其说这是太空战舰主要的作战干扰方式，不如说是也只剩这几个方法而已。此法在执行层面上需注意几个问题：

　　首先，需要有射控等级甚至以上的精确度。使用雷射主炮对敌人实施干扰，必然是在大于标准的攻击射程的时后。因为如果在射程内，则直接使用主炮打破敌舰就好了，没有必要浪费时间去干扰敌方。反过来想，就是因为敌我距离超出主炮破坏射程无法实施破坏性攻击，所以只能稍微加宽光束试图进行干扰。而虽然光束可以加宽，但距离也变远了，对于精度上的要求将不亚于主炮的射击。一般而言，此种干扰的应该在光束武器破坏距离的两倍之内，大约不会超过10光秒。

　　其次，每艘船一次只能干扰一艘敌舰。在武器篇曾经提到过，太空中不管敌我舰队，舰与舰之间都会数百上千公里的间隔距离。而战舰等级出力的雷射主炮如果改变焦点把光束放的太宽，则能量密度当然就会降到太过稀薄，无法对敌方产生干扰效果的情况。而雷射光束的能量密度，与光束口径是成平方比的关系。

　　举个简单的例子，假设某舰雷射主炮实施攻击于一光秒外命中敌舰时，其光束为直径一公尺的正圆形。同样的距离下改变焦点把光束口径增加到一百公尺，则面积将变为原先的一万倍，单位能量投掷密度将会降低到原本的万分之一，若口径增加到一公里，则能量密度更会降低到一百万分之一。显然若光束太宽，能量密度就会低到无足轻重，甚至不能迫使对方的传感器进入强光对应机制。因此只能实施一对一的干扰。

　　最后，由于双方的军舰传感器都会有强光对应机制，因此这种方法的效果和背对太阳一样，只能降低对方几个百分点的感测距离。又由于非得在近距离使用不可，所以实际上的用处甚至比背对太阳还小，是一个典型的有效果但没用处的例子。

　　最明显的例子就是，假设敌舰侦测距离是两千光秒，则背对太阳可能让对方侦测距离减少个几十上百光秒，在双方距离遥远时还有点用处。可是当双方距离只有十几光秒即将要交战的时候，再怎么干扰都没什么用处，就算很神奇的能让对方侦测距离少一半好了，可是两千光秒的侦测距离减掉一半也还剩一千光秒，而目前敌我距离却只有十几光秒....

　　(5)以诱饵混淆

　　这个是比较实际的方法。充气模型做的好的话，会有相当程度的效果。但需要注意不能用单纯的充气模型，要能有相应的放热能力，否则在红外频谱的侦测时就会曝光了。另外，也不能用什么热焰弹，这不要说在未来，就是现在也骗不过新型的焦平面凝视阵列寻标头。至于金属片则是用来干扰雷达的，对于不用雷达的家伙就象是垃圾一样。诱饵一定得做的有模有样才行。

　　比较大的问题是，当对方以全频谱感测将资料互相比对时，模型就很容易露出马脚。全频谱感测除了使用全频宽带元件之外，也可能是在阵列中整合了分别涵盖各频段的不同元件，在之前的侦测系统构成的描述中有提及。

　　其实这是个人类常犯的想当然尔的问题。因为在人眼来看，只要形状颜色一样，其它的就分不出来了。不幸的是，机器的眼睛并没人的肉眼那么逊。人类肉眼可见光波段在400～800nm，使用波段在 800～1500nm的近红外线以及350nm～100nm紫外线频谱，就可以在一定程度下看出物体的热源与材质特质。换句话说，诱饵除了要有可见光波段的伪装外，还得在针对另外这两个频段区域进行伪装。而最大的问题是，这种伪装方法并不容易。

nicelookie90

晕倒。。太深了。。只看懂一些。。不过我会慢慢研究，谢谢楼主！这些都是我想要看的。。只是暂时还没研究。。而且我多数用英文的。。haha

星星之雨

hmm 。。 先留脚印 。。。
下次才来消化。

Nic_1314

慢慢看，的却是很不错的文章，让我相通一些问题
谢谢分享