机动推进器

"涅斯特罗夫"号在空中悬停了片刻，然后开始了缓慢的下降。玛丽埃萨屏住了呼吸。每一秒都像是一辈子那么长；但飞船沿着一根无形火焰的柱子平稳滑下。当火焰触碰到地面时，它变成了一个闪耀的基座，在飞船下方像一个光之枕般绽放...... 玛丽埃萨盯着那艘飞船，直到它下方的光球消失不见，夜晚的黑暗再次回归。一个男人偷偷登上了那个未经测试、未经验证的实验性飞船；并将自己的生命押注其上。它可能会爆炸；也可能在地面上撞得粉碎。而克拉思纳罗夫是通过撒谎才得以登船的。 ——迈克尔·弗林，《火之星》（Firestar）机动推进器（maneuver drive）用于在"常态"空间中推进飞船，根据需要改变它在太空中的速度，或多或少服从已知的力与速度定律。这类推进器涵盖从火箭这样的现实推进系统，到打破了一些物理定律但仍然不能超过光速的黑科技推进系统。

工质推进器

工质推进器指的是遵循并利用牛顿第三运动定律的推进方式。牛顿第三定律表明，除非有外力作用于一个系统，否则系统的动量始终保持不变。一些工质推进器通过利用作用在宇宙飞船上的外部力量来改变其动量（详见第33页的"太空帆"或第34页的"弹射器与系绳"）。然而，大多数工质推进系统采用的是火箭原理。火箭的原理简化成最简单的形式，使用火箭推进的飞船只有两个部分。第一个部分是有效载荷。这包括所有需要运送到飞船目的地的部分：船员、乘客、生命支持设备、计算机和其他仪器、驱动机械、货物、飞船本身的外壳结构等。第二个部分是工质，即仅为了被抛出而携带的物质！火箭发动机的原理便是加速工质并将其喷射到太空中，通常工质是以快速移动的气体或等离子体的形式被喷出。系统的总动量保持不变，但由于工质正在被加速，动量守恒定律意味着有效载荷也会在相反方向上被加速。工质被喷出时的速度称为排气速度。火箭发动机施加给有效载荷的力被称为推力。由于所有火箭都是通过抛弃工质来工作的，因此火箭推进系统受限于能够携带的工质数量以及火箭发动机的效率。尚未喷出的工质只能与有效载荷一起被加速！因此，最小化完成特定任务所需的工质数量非常重要。对于数量已经确定的工质，提高其排气速度是使火箭更高效的最佳方式。当然，火箭也受到所需能量的限制，这些能量用于将工质加速到太空。发动机产生的推力与排气速度成正比——但操作发动机所需的能量与排气速度的平方成正比！为了产生相同的推力，具有较低排气速度的火箭需要更多的工质。具有较高排气速度的火箭则需要较少的工质，但它可能需要多得多的能量来运行。

火箭方程航天科学是由俄罗斯数学家（同时也是科幻作家！）康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基开创的。大约在20世纪初，齐奥尔科夫斯基发展了许多基本的航天理论；他是最早预测人造卫星、太空殖民地和小行星采矿的先驱之一。齐奥尔科夫斯基的一项基本贡献是后来以他的名字命名的火箭方程。齐奥尔科夫斯基方程为： ∆V = E × (T/P)的自然对数这里， E是火箭发动机的有效排气速度（这一量也被称为比冲），T 是由火箭驱动的宇宙飞船的总质量（包括有效载荷及其初始工质），而 P是仅有效载荷的质量。量 ∆V被称为"delta-V"（读作德尔塔V）。Delta-V是指飞船能够通过其可用工质进行的速度变化量。每一次深空机动都要求飞船"支出"一部分它的delta-V预算：比如从母星轨道逃逸、在深空中改变航向、进入目标星球的轨道、改变现有轨道的参数等。对抗重力进行的机动（如行星发射或着陆）也可以用delta-V来衡量。低TL的火箭推进系统通常可用的delta-V量非常有限。任务规划者会花大量时间寻找可以使用最小delta-V将飞船送到目的地的轨迹。有时候，一艘飞船可以在不花费delta-V的情况下改变航向。例如，飞船可以通过"飞掠"一个天体，利用其引力来加速并改变方向。通过对齐奥尔科夫斯基方程进行操作，可以推导出描述飞船初始质量中需要多少作为工质的公式。简而言之，如果所需的delta-V远小于排气速度，则所需的工质量将非常少。一旦所需的delta-V超过了排气速度，工质很快就会占领几乎整个飞船！

已知的火箭类型以下是目前可行的火箭类型，它们基于已知的工程原理。化学火箭：化学火箭可能是任何太空航行文明第一个引用的工质推进器。化学火箭通过燃烧可燃的工质或"燃料"，将产生的热气体从火箭燃烧室的后部排出以获得动能。大多数化学火箭使用液体燃料，如液态氢或像铝这样的金属粉末的悬浮液。固体燃料火箭也是可能的，但一旦点燃，就难以关闭或控制。在太空中运行的化学火箭还必须配备氧化剂以支持燃烧。最可能的氧化剂是液氧，它可以储存在船上罐中，作为工质的一部分使用。化学火箭可以迅速提供大量推力，适用于从行星表面发射或在轨道上进行机动。另一方面，它们的排气速度相对较低，因此需要大量燃料和氧化剂。使用化学火箭进行的星际旅程通常涉及旅程开始时的短暂"燃烧"，随后是数月或数年的滑行，最终只运抵一个很小的有效载荷。离子推进器：离子推进器将工质转化为离子（带电的原子或分子），然后使用电力加速离子形成快速的排气流。最可能的工质物质包括惰性气体氩或氙，或有毒金属镉。离子推进器提供的推力非常低，不适合从行星上起飞。然而，它的排气速度很高。因此，离子推进器燃料效率高，可以长时间进行恒定加速度推进。这使得它们成为行星际旅行的理想选择，可以在数月而不是数年内跨越行星际距离。离子推进器需要一个持续的动力供应，通常是太阳能电池板组或船载核反应堆。裂变火箭：裂变火箭使用内置的裂变或放射性热反应堆来加热工质，然后将热气体作为高能排气排出。裂变火箭是化学火箭和离子推进器之间的妥协；它们可以提供比离子推进器更大的推力，但排气速度较低，因此燃料效率更低一些。它们也可能因在推进力之外也提供船上动力而别有作用。裂变火箭可能适合用作星际战舰或信使飞船。

示例 Delta-V 需求低TL的每个空间任务都围绕其delta-V预算进行规划。较高的delta-V需求意味着飞船需要更多的工质，这可能会挤占必要的有效载荷空间。较低的delta-V需求可以使任务更便宜、更可行，或者允许运送更多的有效载荷质量。以下是一些早期太空任务的典型delta-V需求。所有这些数据都是基于高推力化学火箭计算的——像离子发动机这样的低推力引擎由于重力的阻滞，将需要更多的delta-V（通常是2到3倍）。 ● 地球发射：要达到低地球轨道大约需要5.9英里/秒的delta-V。低推力引擎完全无法执行此任务！ ● 地球轨道机动：从低地球轨道移动到同步轨道需要两次机动，总delta-V需求约为2.5英里/秒。从低地球轨道转移到逃逸轨迹实际上所需的delta-V较少，总共约2.0英里/秒（假设在近地点，即轨道上最接近地球的点，此处飞船已经运动得最快时执行逃逸燃烧）。 ● 行星际旅行：从低地球轨道移动到其他天体的低轨道所需的delta-V量各不相同。前往低月球轨道大约需要2.4英里/秒。到达某些近地小行星（见第131页）所需的delta-V与月球探险大致相同。前往低火星轨道大约需要3.5英里/秒。从低地球轨道达到太阳逃逸速度需要约5.4英里/秒；这是大多数行星际旅程所需delta-V的上限。

设想的火箭类型核脉冲驱动：这种驱动方式通过在飞船后方引发核爆炸来工作；每次核爆炸的能量产生非常快的热等离子体排气。大规模版本（如"猎户座驱动"）使用全尺寸的核弹，需要在船后有一个巨大的吸震"推板"。更先进的版本则产生微爆炸，通过一圈强大的激光或离子束触发小型聚变燃料颗粒。另一种方法是使用反质子束触发可裂变颗粒；这个版本使用的反物质如此之少，以至于可以使用现有技术生产。核脉冲驱动可以提供大量的推力，同时具有高排气速度和燃料效率。它可能是快速行星际推进器的最佳候选。尽管目前建造这样的推进器还无法实现，但主要的障碍是政治上的而非技术上的。许多人反对涉及核爆炸的推进器！聚变火箭：与裂变火箭一样，聚变火箭涉及用受控的核反应加热反应质量，然后将其作为热排气排出。聚变火箭可能提供接近核脉冲驱动的性能，而无需特殊燃料颗粒的费用或携带数百颗原子弹弹的危险。反物质热火箭：这种推进器使用少量的反物质来加热远大于此量的传统工质，产生用于推进的等离子体。它可以提供高推力，并且比大多数聚变推进器更有效率。它需要生产、分配和容纳足量反物质的技术。反物质π介子驱推进：这种推进器是一种"纯"反物质火箭。它以相等的（非常小）量混合物质和反物质，产生由非常快的亚原子粒子组成的排气。火箭提供的推力不大，但其高排气速度使其具有极高的燃料效率。它是亚光速恒星际旅行最现实的候选之一。全转换驱动：这种理论上的驱动器直接将反应质量转换为能量，可能是以光子或引力波的形式。目前还没有已知的方法来产生这种转换，但这个概念勉强属于"硬"科幻。它不违反能量或动量守恒定律，同时也需要飞船偶尔进行燃料补给。

太空帆

考虑到携带工质的限制，任何不涉及火箭的行星际或恒星际旅行方法可能都有一定的优势。有一些反作用力推进的概念设计不需要大量工质。光帆已经提出的一种驱动方式是光帆。光帆是用巨大的轻薄反射材料制成的帆，面积可达数百平方英里。光帆通过一系列轻质缆绳连接到载荷舱。靠近恒星时，帆由于星光的压力可以提供缓慢但稳定的加速度。光帆本身只在靠近恒星的地方有效，例如我们太阳系中的水星与火星轨道之间。在离太阳超过几个天文单位的地方，光压将降至无效水平。这似乎使光帆对恒星际航行毫无用处。然而，可以使用强大的激光（或一系列激光器）为光帆提供持续的推力。激光不会像非定向的恒星光那样随距离迅速减弱，因此可以为光帆提供数月或数年的推力，将光帆加速到光速的显著比例。这种方式的机动能力有限，但如果给光帆施加电荷，它可以利用星际磁场进行减速或缓慢转向。激光驱动的光帆似乎是恒星际旅行的完美之选。不需要担心燃料，而且"引擎"可以留在家里。但它需要极其强大的激光器阵列。例如，一个几公斤重的微小探测器就需要千兆瓦级的激光器。一艘大型载人飞船需要数英里宽的透镜，由数万英里宽的太阳能收集器供电，，使用的功率是目前地球上全部发电量的数千倍！暂且不讨论建造那么大的激光是否可行，能建成这种发电能力的社会可能对这些电另有规划。与此同时，政治问题也很重要。恒星际旅行仍需要数十年，船员需要能够信任他们的基地在整个时间内保持激光开启。顺便说一句，这样的激光可以作为极其强大的武器，这本身就可能引发冲突。对于星际光帆旅行的精彩处理，请参阅经典小说《上帝眼中的一粒尘埃》，作者是拉里·尼文和杰里·波内尔。罗伯特·福沃德的《蜻蜓之飞》也依赖于光帆作为情节装置，某些版本包括一个详细的技术附录。

磁帆和等离子帆另一个可能对星际旅行有用的概念是磁帆。像太阳这样的恒星不仅发出光，还释放出一种强大的太阳"风"——一种带电粒子的风。这些高速的质子和电子以每秒数百英里的速度穿过太阳系内部。如果它们进入一个磁场，它们会改变方向和速度，对产生场的东西施加力。一艘宇宙飞船可能会使用一个巨大的超导线圈作为帆，通过线圈输送电流以产生强大的磁场，与太阳风相互作用，并产生推力。磁帆相对于光帆有几个优势。计算表明，磁帆可以产生比光帆更高的推力与质量比。磁帆可以"迎风转向"，因此比光帆更灵活。磁帆还可以与行星的磁场相互作用，在某些情况下提供更多的机动性。最后，磁帆非常适合减速以接近光速行驶的飞船；要让硬科幻的恒星际飞船停下来，它可能是最有可能的方法。当然，磁帆的一个缺点是其本身的材料——可能很难制造出能够承受太空飞行严酷环境的超导线圈长环。而且磁帆就像光帆一样，随着与恒星距离的增加，效果会减弱。与磁帆相关的一个概念是等离子帆。等离子帆的磁场在薄薄的、超热的等离子体云中传导，而不是线圈。等离子帆会需要"燃料"，因为薄薄的等离子体云会逐渐扩散，并需要补充。尽管如此，早期的研究显示，等离子帆系统将非常节约"燃料"，并且需要相对较少的能量。等离子帆的一个优势是，随着太阳风密度的降低，帆会自动展开。等离子帆应该直到"日球层顶"都提供几乎恒定的加速，日球层顶是太阳风过渡到星际介质的边界。这使得它很适合作为在太阳系外层航行的选项，光帆和固定大小的磁帆在那里都会失效。

巴萨德冲压发动机巴萨德冲压发动机最早是在20世纪60年代提出的，一度被视为解决亚光速星际旅行问题的最终答案。一艘巴萨德冲压发动机的星际飞船几乎不携带任何工质。相反，它使用一个大的磁场和一个"冲压收集器"来收集星际的氢分子。氢被收集器引导进入，作为飞船的聚变反应堆的燃料，并作为工质被排出。一旦冲压发动机飞船达到足以收集到大量的氢的速度，理论上它可以无限期地加速，以任意接近光速的速度飞行。在20世纪70年代，大量科幻作品被创作出来，其中巴萨德冲压驱动器与相对论时间膨胀相结合，让人类得以探索和殖民银河系。不幸的是，这个概念似乎存在无法克服的技术问题。星际介质并不像最初认为的那样密集——特别是在我们的太阳系附近，太阳系位于一个由稀薄气体构成的数光年宽的"气泡"中。这意味着所需的冲压收集器尺寸将非常大。同时，一旦冲压发动机飞船达到极高的速度时，聚变反应的大部分能量将用于加速进入的工质，而不是飞船本身。最后，用于驱动飞船的质子-质子聚变反应被发现难以实现。科幻设定仍然可以使用巴萨德冲压发动机作为其主要星际驱动器，尤其是如果它设定在星际物质密度较高的银河区域。冲压收集器也可以用来辅助传统的聚变推进，在飞船穿越星际空间时收集额外的工质。

弹射器与系绳

航天工程师发明出了另外几种抵达太空或在太空站机动的可能方法。这些不一定适合长距离旅行，但可以在不需要工质或昂贵船上系统的前提下协助机动。弹射器低科技水平的太空旅行通常涉及在旅程开始时的一次爆发加速，随后是在轨道上长时间的"滑行"，最后在目的地再一次爆发式的加速。火箭驱动的飞船通常需要为这两个急剧加速阶段提供工质。如果能找到另一种方式来提供最初的加速，这将能减少50%或更多的反应质量需求。解决这个问题的一个方法就是弹射器。弹射器是一种电磁系统或"质量驱动器"，类似于一些粒子加速设备，但规模要大得多。许多强大的电磁铁按长线排列，围绕一个空心通道缠绕，该通道内有效载荷可以自由移动。有效载荷要么由铁磁性金属部件制成，要么包裹在导电外壳中。一旦有效载荷被放置在通道的起点，电磁铁就会依次激活，每个磁铁拉动有效载荷向前并加速它。弹射器可能长达数英里，将有效载荷加速到非常高的速度。在星球表面建造的发射弹射器可以用来将有效载荷加速到入轨速度。在太空中，发射弹射器可以给有效载荷提供进行星际旅程所需的初始加速度。在任一种情况下，有效载荷都不需要火箭发动机——加速所需的动力来自与弹射器一体的发电厂。

弹射器甚至可能反向运行。进入弹射器"发射"端的有效载荷或飞船可以被依次激活的电磁铁减速，使有效载荷相对于弹射器静止。如果星际旅程的两端都有弹射器，飞船上可能只需要携带很少的工质储备就能完成旅程！弹射器的主要缺点是它可能对人类乘客不安全。在太空中，发射弹射器可以非常长，在施加适宜加速度的前提下产生有利用价值的速度。而在行星或大型卫星上，建造超过几英里长的发射弹射器可能是一个严峻的工程挑战。短的弹射器仍然可以提供所需的速度，但它必须在短时间内施加非常高的加速度。人类"货物"可能不得不使用其他方式到达轨道......

循环站作为传统宇宙飞船运输的替代方案，循环站提供了一种新的选择。这种站点实际上是一个空间居住设施，它沿着一条经过两个或更多重要地点的轨道运行。在一段较长的时间里，循环站遵循一个循环轨迹，在每个目的地乘客上下船。在每次停靠时，循环站利用行星或恒星的引力（加上一些来自推进系统的微小帮助）来改变航向前往下一个目的地，而无需完全停止。在行星际尺度上，循环站遵循的是世界之间的低能量转移轨道。而在恒星际尺度上，一个站点可以达到相当可观的近光速，并且在每一颗恒星处改变航向，在恒星际空间中形成一个广阔的大环。循环站主要设计目的是为乘客在长途旅行期间提供一个可居住的环境。地球-火星循环站大约需要三年才能完成一次往返。而恒星际循环站则需要数十年的时间。由于一个循环所需的Δv（速度变化）与不使用循环站进行相同旅程的需求相同（实际上，由于需要航向变化，可能略大），因此这种方式对于运送太空适运货物没有任何优势。循环站的优势在于，仅在星球间航行所需的一些设备（如生命支持系统、厚重的辐射屏蔽等）不需要被反复加速。乘客在登上或离开循环站时仍然需要携带加速乘客本身所需的Δv以完成旅程。然而，他们不需要携带整个旅程所需的那种可能非常重且昂贵的生命支持系统。

系绳系统系绳系统是另一种复杂的机动系统，用于辅助有效载荷进入高轨道，减少火箭驱动所需的推进剂。系绳系统是在磁场强大的行星轨道上的空间站，它放下一根缆绳，并开始旋转，使得缆绳底部的速度因摆动远低于系绳空间站的轨道速度。在这个速度下，它可以捕获已经发射到亚轨道的有效载荷，这种轨道所需的推进剂远少于进入真正的轨道。有效载荷通过一个抓钩连接到缆绳上。当缆绳向上摆动时，有效载荷便被"甩"入更高的轨道。每次将有效载荷转移到高轨道，绳索站都会损失一些动量，并且可能会降低到更低的轨道。然而，缆绳可以用来恢复绳索站的轨道速度。站上的发电机可以产生沿着缆绳流动的电流。随着缆绳穿过行星磁场，缆绳中的电流因电动力的原理产生了推力，使得空间站再次上升到标准轨道，可以处理下一个载荷。

系绳系统主要用于轨道转移，但由于这种情况非常常见，它们可能会被频繁使用。尽管系绳系统需要行星磁场才能高效运作，但这并不是大的限制。大多数类地行星都拥有足够的磁场。气态巨行星也拥有强大的磁场，因此对于这些巨行星附近的作业活动，系绳系统也可能发挥作用。

无工质推进器

无工质推进器是一种产生加速度而不需要排出工质的引擎。无工质推进器需要能量，供能系统还可能需要燃料，但它不受需要携带大量工质的限制。无工质推进器的星际飞船可以非常高效，能够携带大量载荷。除非无工质推进器依仗的物理原理在高速度下停止工作，否则无工质推进器的飞船可以轻松接近光速。所有的无工质推进器都是黑科技，因为它们违反了已知的物理定律。如果一个设定中有无工质推进器可用，GM应该定义它们的性能。最需要考虑的重要因素是推力与质量比。如果一吨无工质推进器只能产生一吨推力的十分之一，那么星际飞船最多只能达到约0.1 G的加速度（几乎没有任何载荷的情况下）。如果一吨无工质推进器能产生两到五吨的推力，那么可以获得两到五个G的加速度。迪恩驱动器迪恩驱动器是一种无工质驱动器，它（以某种方式）将旋转运动转换为线性运动。飞船上的引擎包括一个由动力站驱动的大飞轮；飞轮的角动量可以被利用来加速飞船前进。迪恩驱动器在20世纪50年代"发明"，并受到了科幻社区中少数人的认真对待。不幸的是，它从未被有声誉的科学家演示或复制，几乎肯定是一个骗局。事实上，迪恩驱动器违反了几个已知的物理定律。"迪恩驱动器"可以作为一个通用的术语，用于任何通过打破我们目前理解的动量定律来工作的无工质驱动器。极向驱动器另一种无工质驱动器是极向驱动器。这种驱动器在其周围创造了一个不对称的力场。力场中作用力更大的那一侧会"推动"飞船前进，无需任何工质。大多数极向驱动器概念涉及操纵引力，因为这种力对所有物质都起作用，可以提供平滑的加速度。偏置驱动器或引力驱动器是极向驱动器的一种，它改变飞船前方和后方引力的强度。实际上，飞船存在于一个具有自身任意引力的时空泡中。飞船处于自由落体状态，感觉不到加速度，因此可以安全地拉数百个G（光速仍然是绝对极限）。极向驱动器完全是推测性的；目前，我们不知道如何创建它们所需的力场。它们在功能上类似于曲速驱动器（第40页），如果设定中存在这种技术，它们可能是其衍生的。同时，偏置驱动器依赖于对引力的精细控制；它们可能与人工引力（第44页）或反重力（第44页）技术有关。

相对论效应爱因斯坦的运动定律有几个令人惊讶的效应，特别是当物体（如星际飞船）加速接近光速时。对于一个未加速的外部观察者来说，飞船会变得更短且质量更大。从飞船的视角看，外部宇宙的图像会向运动轴方向压缩。来自前方的光会向更高能量频率的"蓝移"，而来自后方的光则会向光谱下端的"红移"。相对论速度最重要的效应之一，特别是从星际旅行者的角度看，是时间膨胀。船上的某人经历的时间流逝与未加速参照系中的人（比如在星球上的人）不同。实际上，他的时钟会比外部宇宙中的时钟运行得更慢，因此旅程似乎花费的时间更少。亚光速（STL）飞船可以利用时间膨胀使载人恒星际旅行更加实用；船员和乘客不需要花费大半个人生来完成旅程。要计算时间膨胀的程度，请使用以下公式： R = [1-(V/C)^2]的平方根这里，R是在船上体验到的时间速率，V是飞船的速度，C是光速。以下是一些代表性数值：时间膨胀表 | 速度 (× c) | 时间速率 | | -------- | -------- | | 0.25 | 0.968 | | 0.50 | 0.866 | | 0.75 | 0.661 | | 0.90 | 0.436 | | 0.95 | 0.312 | | 0.99 | 0.141 | | 0.999 | 0.045 | | 0.9999 | 0.014 |

世代船

一种对恒星际旅行的"现实"方法是接受恒星际旅行需要很长时间，并为此做出计划。世代船是仅使用机动推进器来跨越星际距离的星际飞船，需要数十或数百年才能完成旅程，并在旅程中为船员和乘客提供宜居的栖息地。世代船不仅仅是一艘船，它更像是一个移动的世界，拥有自己内部的社会。在这样的船上冒险将几乎完全由角色互动主导，因为船员和乘客要在到达目的地之前打发掉多年的时间。实际上，很可能在旅程中有孩子出生，长大，并有自己的孩子，从而产生了几代乘客（因此这种船被命名为"世代船"）。世代船概念一个变体是"休眠船"，这同样是一种缓慢的星际飞船，它以某种形式的假死状态携带其船员和乘客。20世纪60年代和70年代的科幻小说常常假设星际旅程将伴随着大多数船员和乘客进入"冷冻睡眠"，一种人工冬眠的形式。一些当代的科幻小说建议，人类船员和乘客可能以数字存储的形式旅行。纳米技术和先进计算机可能使得将人类的身体和思维作为纯数据传输成为可能。如果描述船员和乘客的数据可以非常紧凑地存储，那么携带这些数据的飞船可以比携带活人的飞船小得多，也便宜得多。飞船甚至可能提供一个丰富的虚拟环境，乘客在存储期间可以在其中"生活"。当然，如果这种幽灵人生在一开始就是可能的，那么船上的乘客为什么会费心去旅行呢？