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代达罗斯计划:人类首次尝试星际航行

2015-11-01

太空时代的早期是个乐观的年代,与进展一路相伴。在行星探测取得初步成功之后,接下来的一步自然是向深空进军。1973年至1978年间英国行星际学会提出的代达罗斯计划就是其中的先驱和代表,它的目标是设计出一艘无人星际探测飞船,飞向5.9光年外的巴纳德星。当然,计划本身具有很高的灵活度,一旦可行性得到论证,完全可以将其推广用于其他恒星的探测。


英国星际学会(British Interplanetary Society)在上世纪70年代重新回顾了猎户座计划,并提出代达罗斯计划,只不过以更强大而且环保效果好一些的聚变力量代替原子弹。这个计划的目标是向6光年以外的巴纳德星(Barnard's star,是距离太阳系第二近的星)发射一个探测器,并用50年的时间到达那里。


这个项目不是在象猎户座那样在外部爆炸,而是内部的发动机,在一个磁场构筑的“燃烧室”中,向小燃料球照射发射电子束,产生离子。用磁场限制离子浆的办法将比猎户座计划更高效,因为猎户座计划中原子弹的大部分爆炸能量都没投射到船体上转化为动力。

 探测飞船的质量为5.4万吨,其中推进装置重量是5万吨,预计经过持续4年的加速后,可以达到光速的1/8。可以说代达罗斯计划的理论是很有说服力的,设计上并没有什么突兀之处。有不少科学家认为我们执着于受控核聚变是没有意义的,我们完全可以用不完全受控的核聚变来作为动力,而象猎户座所需要的那些技术甚至在上世纪60年代末就已经存在了。

  总的来说,核裂变发动机是相当现实的东西,而核聚变发动机则基本偏向科幻,需要很多技术突破才能变成现实。但裂变材料很稀缺,而用于核聚变的氘和氚却很多,在近处的月球上尤其丰富。此外,核聚变还有大幅度降低辐射污染的前景,其方式是利用氢核(质子)和硼-11(80%的硼是以硼-11同位素的形式存在)反应,虽然反应困难而且产生的能量小,但不产生γ射线和中子,只产生α粒子,可以说是相当干净的反应。所以人们对核聚变发动机仍旧存在更大的期望。



代达罗斯计划要求充分利用已有或者在不远的将来可能出现的技术,且可以在人的一生中抵达预定的目的地(因此按照最初的设想,计划的参与者有机会亲眼目睹其完成任务)。选择巴纳德星而非距离更近的比邻星作为首要目标的原因是,当时的人们根据不可靠的观测证据认为,该星周围可能有行星环绕,虽然这一说法现在并未得到证实。在这个要求之下,火箭工程师Alan Bond率领13人的研究小组提出了核聚变火箭的构思。
按照设计,代达罗斯飞船总长190米,采用二级结构,总重54000吨,其中包括50000吨的燃料和500吨的科研载荷。考虑重量问题,飞船将在轨道上建造。一、二级推进系统总共工作不到4年,可以将飞船加速到0.12倍光速,在接下来的46年里代达罗斯飞船会处在无动力滑行状态。由于飞行时间长、距离远,为应付星际空间的低温,飞船的支撑结构按设计要使用导热性能良好的金属铍构建。




代达罗斯飞船的设计图,下半为一级火箭,总工作时间约2.05年;上半为二级火箭和飞船载荷,二级火箭工作时间约为1.76年。
代达罗斯的推进系统是核聚变脉冲火箭,这是在20世纪50年代末研究核裂变推进的猎户座计划的基础上提出的。1963年,部分禁止核试验条约签署后,需要利用核爆炸驱动的猎户座火箭无法继续进行研究。而代达罗斯所依赖的聚变脉冲对环境影响小,不受条约限制。按照设计,氘和氦3组成的混合燃料球由高能电子束在惯性约束反应室中点燃并爆发,爆发产生的离子气在磁场的约束下以每秒10000000米的速度排出船尾,以作为动力的来源。每秒代达罗斯需要消耗250个燃料球。由于地球上缺乏氦3储存,计划的设计者构思出了同样野心勃勃的氦3开采方案:在20年的时间里,利用热气球在木星大气中采集所需。
对于长期星际飞行来说,速度不是唯一需要解决的问题。由于代达罗斯在旅途中不能与地球进行实时通讯,其本身必须拥有足够的应变能力才能保证顺利走完全程。其中一个需要考虑的重要问题是星际尘埃的轰击,虽然介质的密度并不高,颗粒也一般不大,但是在0.12倍光速下,这一影响不可忽略。代达罗斯在前方设有铍质偏转罩,并可以通过携带的前导“尘埃虫(Dustbugs)”飞船生成高速运行的粒子防护云。再结合小型遥控机械装置“看守(Wardens)”在途中的随时修复,理论上飞船可以应对绝大多数情况。

代达罗斯的“看守”,其任务包括检修、启动子探测器等,每架“看守”重约10吨,其上携带有反应堆和控制计算机。
在科学任务方面,代达罗斯飞船本身携带有两架5米光学望远镜和两架20米射电望远镜,同时次级火箭的40米引擎碟也可以作为通信设备使用。飞行过半后,代达罗斯的主计算机将控制望远镜的开启,并对巴纳德星拍照,第一批照片将于两年后传回地球。由于飞船本身在到达目标时并不会减速,近距离探测只能持续几十小时。为了充分完成科研目标,一并上路的还有18架由离子引擎驱动的探测器,它们起初存放在代达罗斯的载荷舱内,将在抵达巴纳德星之前的7.2至1.8年间被陆续释放,并使用所携带的照相机和光谱仪等设备研究恒星及其周边环境。
探测器设计示意,典型的探测器重量为10吨。
1978年,英国行星际学会公布了代达罗斯计划的最终方案。该计划给出了史上第一份详细的星际飞船设计图,旨在论证可能性。但直到今天,代达罗斯所需要的大量核心技术仍是纸上谈兵,没有核聚变火箭,没有木星开采技术,在轨道上建造几万吨的航天器也近乎天方夜谭——想一想重量只有区区300多吨的国际空间站所花费的建设时间吧。
更不要提的是开支,几万吨的载荷入轨所需要的费用已经是天文数字了,何况代达罗斯用到的金属铍开采提炼均非易事,故而每公斤价格高达几百至上千美元。单单是代达罗斯的偏转罩就需要50吨的铍。因此这样的计划就算真的要变成现实,也必然会以大型国际合作项目的面目出现。
代达罗斯之后,又有多个受此启发提出的星际探测项目问世,而NASA据说也曾经根据代达罗斯计划讨论过星际探测的可能性。虽说核心技术尚属未来,但当80年代太空探测的热潮逐渐消退之后,不知道曾经的飞天梦想何时能变为现实。



你可以想象一下这样的情景:柯克船长率领星际舰队的“企业”号飞船对抗外星人攻击时下令:“250标记星,引力7,曲速3.5”。利用时空扭曲进行星际旅行。然而,柯克船长所说的,“250标记星,引力7”是什么意思呢?这就是一种星际导航以及方向确认的命令。但这毕竟是电影中的场景,而其体现的则是使用恒星或者宇宙射电信号进行导航,通过测量相对天体的角度来定位和测速,这也是当前行星际航行的导航方式。而后者则是代表飞船使用行星引力场进行初始段的加速,这也是旅行者探测器的飞行技巧,其也被称为天体引力导航技术。

  星际导航问题早在上世纪70年代就困扰“代达罗斯计划”,当时希望研究出核动力引擎作为宇宙飞船的动力,并以此前往6光年之遥的巴纳德星,由于人类航天水平确实跟不上理论中的计划,而且星际导航的问题需要强大的空间观测能力做铺垫。在GPS导航系统还未问世前,进行长途旅行主要依靠指南针、天体运行位置等辨认方向,而通过观测天体位置是一种古老又现代方法。由于地球自转和公转的影响,观测到的天体似乎出现明显的运动,但是这些恒星或者星系都距离非常遥远,可以说是挂在天上不动的,这就是现代以及未来星际导航的基本理论基石。

  但是,这里就有出现了个问题:进行恒星际的航行,所前往的恒星距离飞船越来越近,要想得知此刻飞船的位置和速度就非常棘手。就像代达罗斯飞船抵近巴纳德星时,这个时候巴纳德星就不能作为导航星了,由于“视差效应”作用,最近的恒星会出现位置上的移动,也就是说飞船要重新选择新的导航星以推算自己的位置。另外,以当时的技术条件,精确测量地球与巴纳德星之间的距离也成为一个严重问题,并且对巴纳德星周围的恒星同样没有精确的距离,误差可以达到10%,这个误差对星际航行而言是非常致命的。

  而除了这点外,要知道飞船现在是以极高的速度进行飞行,据代达罗斯计划科学家Geoff Richards介绍:按设计的思路,飞船目前是以12%的光速进行高速航行,对其进行精确控制的非常必要的,科学家目前已经计算出其相对应的状态方程,以在这个速度下进行航向的调整。这些前人的积累以及数据的修正都被纳入未来的星际航行计划中,这其中也包括伊卡洛斯计划。

  同时被伊卡洛斯计划借鉴的还有:除了长时间的宇宙航行,代达罗斯飞船导航节点上还有一个中期轨迹修正,以前确保对目的地的准确指向。当飞船靠近巴纳德星系统时,飞船将释放一个探测器对这个恒星系统中的一个行星进行探测。这上世纪70年代,没有人会相信按正常的科技发展这个技术会实现,然而现在在伊卡洛斯计划中,我们的探测器系统将变得越加成熟。我们目前已经能通过现代化的空间观测网对目标恒星的具体情况进行详细的研究,可以精确地确定其距离和位置,这些都将对伊卡洛斯计划产生深远的影响。

  除此之外,由于伊卡洛斯计划还处于项目讨论阶段,还没涉及到具体的飞船制造,所以可以采用多种方式进行飞船改进,特别是在现代化得制导和导航仪,以及恒星跟踪仪、姿态传感器等都可以为飞船提供精确的目的地指示和抵达时精确的减速。但是如果伊卡洛斯飞船进行到减速阶段时,飞船的导航控制将转为自动导航,不再需要人工控制了,也就是说:这是一艘名副其实的全自动探测飞船,因为目标恒星距离我们太远,将近4光年的距离不可能进行人工控制。飞船将在自主导航下对行星进行探测,这一切对导航系统也提出了更高的要求,例如要求精确提供目标恒星中各个行星的轨道参数等。

  让飞船


进行全自主的飞行后,接下来会发生的情况就不在设计师的控制范围之内了,飞船将释放探测器并自动导航降落在太阳系之外的行星上,虽然这是激动人心的时刻,但是这一切都是在未知环境中进行,没人知道会发生什么。与飞船上其他系统一样,导航系统将需要工作长达100多年,不仅要能自动处理设备故障,同时也要抵御复杂不利的星际空间。而像代达罗斯计划中的导航设备,只能确保在15年内不出现故障,飞船则需要自动机器人和一堆的零部件进行更换,这也是伊卡洛斯飞船航行中需要解决的问题。其中一个可行的设想是:在路途上提前发射多个探测器,作为中继制导的导航站,这就是“星座导航”模式。

  “星座导航”模式的最大优点是:如果整体式的导航系统出现故障,那整个飞船航行就失败了,而由许多导航探测器组成导航网不会受到全军覆没的危险,而探测器上的小发动机还可以为飞船减速提供动力。这种星座模式导航可能将使用干涉网平台进行联网。

  另一个关于导航的问题就是如何与地球通讯。不仅飞船航行时需要有通讯设备,而且到达目标恒星进行探测后也要把数据传回地球。科学家准备了40米直径的天线进行通讯,而且还要保证天线要精确指向地球,这对飞船在另一个恒星系统中的定位又提出了更高的要求,这事也星际航行计划真正挑战之处。目前也有研究表明:利用激光进行星际通讯可以增加伊卡洛斯飞船的数据传输量。总之,对于梦想踏上宇宙航行时代的人类而言,解决空间导航和制导定位问题不仅是伊卡洛斯要完成的任务,而是大宇航时代必须逾越的技术难题。
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