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光子火箭

光子火箭(photon rocket) 靠电磁辐射量子光子)的定向流产生推力的光子发动机推进的火箭。光子火箭理论是在1953年提出的。根据爱因斯坦相对论定律,质量和能量相联系,质量可以转化为动能。因此可利用物质-反物质湮没反应把质量完全转化为动能。正电子和电子结合湮没产生两个或多个γ射线(光子),质子和反质子结合湮没产生两个或多个介子,这些介子不稳定,很快衰变成电子(或正电子)和中微子。介子、电子和正电子是带电的,在强电场作用下以等于光速(或接近光速)的速度喷射,从而产生推力。光子火箭发动机理论上具有最高效能和比冲,它的主要结构部件是光子源。为了在光子源中获得足够大的光压,需要有50000-250000K的高温。现代技术尚未解决如此高温的问题,光子火箭尚处于探索阶段。

光子火箭的主要推进系统是一面直径达几十平方千米的巨大凹面反射镜。发动机工作时,将正氢和反氢引到凹面镜的焦点处,它们在那里相遇湮灭,产生光子。向各个方向发射的光子,经过反射镜的反射,形成一股向后喷射的光子流,它们的反作用力推动飞船加速飞行。

以往的各种效率高和工作时间长的火箭和非火箭动力,使宇宙飞船达到的最大速度,也只有15千米/秒。到最近的恒星比邻星周围飞一个来回,仍需要17万年的时间,到天狼星则要35万年,而到距地球分别为16.63和26.3光年的牛郎星织女星,则需要近100万年的时间,要绕银河系一圈更是需要不可想像的30多亿年的时间。因此,要实现宇宙航行的理想,还需寻找新的动力来加快航行的速度。

早在20世纪初齐奥尔科夫斯基提出火箭分式中,人们就知道,火箭的速度与火箭发动机的喷气速度成正比,火箭发动机向后喷射的排气速度愈高,火箭的速度愈高。

那么,什么样的排气速度最高昵?人们自然会想到光子。因为爱因斯坦的相对论告诉我们,宇宙中一切物质的运动速度,以光速为最快,达30万千米/秒。如果能让火箭发动机向后喷射光子,自然可使火箭和火箭运送的宇宙飞船,以接近光速的速度飞行。

那么,如何让火箭喷射光子呢?即如何在火箭发动机中产生光子,然后向后喷射呢?早在20世纪50年代奥地利科学家尤金桑格尔就提出了光子火箭的设想。在反物质火箭中,正反物质相遇时双双湮灭,除释放热能外还放出的光子,反物质火箭只利用了湮灭反应放出的热能。那么,它放出光子,不正是光子火箭所需要的动力能源吗?桑格尔正是这样想的。他设想用氢(质子)和反氢(反质子)相遇湮灭来产生光子。

桑格尔设想的用光子火箭推动宇宙飞船,由三部分组成。最前面是密封座舱,是宇航员工作和生活的地方,中间部分是正氢和反氢贮箱,最后面是光子火箭发动机。由于正氢和反氢相遇湮灭时会产生强烈的能量辐射,因此,在生活、工作区与正氢、反氢贮箱之间设有防护屏,以免人员、仪器设备、动植物等遭受辐射伤害。

这这个设想最初由奥地利物理学家桑格尔提出。桑格尔认为由光子火箭推动的宇宙飞船由三部分组成。最后面的是动力部分,主要部件是巨大的凹面反射镜,面积可达几十平方千米。在凹面反射镜的焦点处有光子发射器,它产生的光子由凹面反射镜反射,并形成向后喷射的光子流,推动飞船高速飞行,这就是光子火箭发动机。中间是火箭推进剂储存箱。最前面的是航天员工作和生活的密封座舱。

那么,光子从哪里来呢?我们知道,物质是由原子构成的,原子是由质子、中子组成的原子核和外围电子构成的。质子、中子和电子都有它对应的反质子、反中子、反电子等反粒子存在。正粒子组成正物质,就是我们日常接触的各种物质。各种反粒子组成反物质。而正电子与反电子一旦相遇,就会湮灭,放出光子,同时释放出大量的能量。光子火箭就是利用正电子和反电子的湮灭来产生光子。根据相对论能量定律,即质量和能量不仅相联系而且不可分割,质量可以全部转化为能量。当正反电子相互湮灭时会产生光子,并以接近光速的速度前进,从而产生推力。

虽然科学家已可以在实验中制造出反质子(反氢),但要造大量的反质子,仅仅是所有消耗的能量,就是无法承受的。同时,制造出来的大量反氢,还有贮存和运输等许多技术上的问题。就是制造和装配出合格的巨大反射镜,也是一件十分困难的事。

光子火箭是很有希望实现恒星际航行的动力装置,然而工程问题又难以解决。比如,光子火箭喷射出的光子束能量极大,只要有百万分之一的热量泄漏给飞船,就足以将飞船烧毁。又如,光子火箭喷射出的巨额能量会给地球环境造成严重的破坏,因此光子火箭推进的宇宙飞船必须远离地球才能确保安全。

目前,有好几个研究小组正在研究光子火箭,如美国的马歇尔大空飞行中心和休斯实验室。预计2040-2050年光子火箭有可能投入实际应用。

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