1969 年,美国国家宇航局 (NASA)完成了人类历史上的一次创举:首次把人送上了月球。执行此任务的推进器,是由纳粹德国的著名火箭科学家,二战后加入美国国籍的冯布劳恩设计的“土星五号”火箭。
“土星五号”火箭是人类历史上最大,最高和最重的多级火箭,比已经是庞然大物的航天飞机要庞大许多。 “土星五号”之所以这么庞大,原因在于阿波罗计划需要将一个轨道舱,一个登月舱和能够让宇航员从月球轨道再返回地球轨道的燃料送到月球轨道。即使是使用液氢这样比冲 (Specific Impulse) 较大的推进剂,在发射期间,平均前进一英里,也要消耗掉两万五千磅的液氢推进剂。送上月球尚且需要如此费力,载人送上其他比月球还要远很多的行星的难度就更加难以想像了。
事实上,在火箭科学中,有一个著名的“火箭公式”,大致是说火箭在飞行过程中的速度变化,和火箭发射前后的重量的比例的对数成正比。如果想要足够快的行星际航行,火箭的飞行速度,要从发射时候的零到变到很大,才能逃逸地球的重力陷阱,进入太阳轨道;最后,又要减慢速度,才行进入其他行星轨道或者着陆。简单的数学推倒可以发现,这样大的速度变化,会导致火箭发射时候所携带的燃料和火箭的有效载荷成指数级别的关系。 不大精确的说,如果要送一个载人航天器和所需的设备,食物等在半个月之内到火星的话,我们要把波斯湾一天出产的石油全部装在火箭里做燃料才行,而这需要一个十几千米高的火箭。 所以,科学家一度认为, 仅靠喷气式引擎,人类不要说星际迷航了,在足够短的时间里飞到太阳系的其他行星都是个大问题。
其实这个问题早就有了解决的方法。 1918年苏联科学家夏格尔就提出,如果想要行星际旅行中航天器的速度加快,一个方法是让航天器掠过一个运动的行星。 因为行星本身也是运动的,航天器能够获得两倍行星速度的加速。 这就好比用一个运动的铁球去撞一个玻璃球,玻璃球能够反方向弹开,而且还能获得两倍的铁球的速度。 在这个巧妙方法的协助下,美国的水手10号探测卫星掠过金星被推送到了目的地水星,而著名的旅行家号,更是利用100多年一遇的行星排列的机会,一举掠过木星, 土星, 天王星和海王星。 现在,凡是 NASA 的行星探测器,没有一个不是通过掠过其他行星的方法获得加速到达目的地的。
如果对速度没有要求, 太阳系行星间旅行还有另一种方法,就是利用行星的合力。 如果一个人类卫星位于两个行星平面上的某些点的话(黑话讲叫三体问题的拉格朗日点), 这个卫星受到两个行星重力的合力的效果,能够让卫星处于一个相对两个行星静止的位置。因为行星本身是运动的,所以卫星完全以不消耗能量或消耗极低能量的方式在太阳系里面按照一定轨道运行。 只要精确的计算和利用这些轨道,卫星就能在太阳系里面以一种非常节能的形式从一个点滑到另一个点,当然需要的时间可能巨长无比。当然这不要紧,如果人类要建立火星或其他行星基地的话,我们可以极低的代价把大规模的物资在太阳系里运来运去。
喷气式引擎带来的第一代推进技术让人类终于可以进入近地轨道, 重力加速技术让太阳系中行星际旅行成为可能,可是如果人类需要星际间的航行,靠以上两种技术就完全不够了。 到底下一代的推进器技术是反重力引擎,还是 WarpDrive, 就等聪明的人类再发明吧。 但愿在有生之年能看到星际航行成为现实。