二、近地航天旅行的障碍：
最大的障碍用一个字概括，就是钱。
早在1969年，我们的宇航员就已经信誓旦旦地准备探索太阳系。尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林刚登上月球，人们正巳经梦想着登上火星及更远的行星。似乎我们就站在恒星的门槛处。人类正进入一个新时代。然后，美梦破灭了。
正如科幻小说家艾萨克·阿西莫夫曾写到的那样，我们触地得分了，拿起橄榄球，然后回家。如今，原来的“土星”助推火箭在博物馆里闲置着，或者在垃圾场上慢慢腐烂着。整个一代顶级火箭专家被解散。当年太空竞赛的冲劲也渐渐消散而去。今天，你只能在落满灰尘的历史文献中才能找到月球漫歩的资料了。
到底发生了什么事？太多了，这其中包含越南战争、水门事件等，都是客观上造成影响的重大事件。但是，追根究底，就是一个词“成本”。

有时候，我们会忘记一点：太空航行是昂贵的，非常昂贵。仅把一公斤重的东西送入近地轨道，就要花费高达20000美元。要到达月球，这个成本会上升到接近200000美元。要到达火星，数字则会暴涨至2000000万美元（大致相当于重量为成人体重两倍的钻石的价钱）。所以，即便是当年的美国和前苏联这样的超级大国，也不能连续数十年承受如此高昂的代价。
遗憾的是，要想完成一次太空航行，有一个不得不越过的硬指标，这是300多年前，牛顿已经写下的物理定律。根据万有引力定律，想要把物体送入近地轨道，你必须以7.9千米/秒（即第一宇宙速度）的速度发射它才行。而要把它送入外层空间并摆脱地球的引力场，你必须以11.2千米/秒（即第二宇宙速度）的速度推进。要想走得更远，逃离太阳系，飞行器甚至需要达到第三宇宙速度。考虑到每一个作用力，都有一个大小相等、方向相反的反作用力，这个力要从哪里来呢？只能让人类去想办法。因此，从牛顿定律到计算太空旅行的成本，只有简单的一步——没有哪一条工程法则或物理学定律会阻止我们探索太阳系，除了成本问题。

科学家们已经建立起了这种火箭的实用样机，并亲切地称之为“光船技术示范者”。早期设计的雏形的直径约15.厘米，重量只有50余克。10千瓦的激光能够在火箭底部产生一连串的激光脉冲，让气浪以2g的加速度推动火箭，并发出像是机关枪扫射的声音。这个原型机升空高度可以达到100多英尺，这相当于上世纪30年代早期液体燃料推迸火箭的升空高度。
也许会有这么一天，激光推进系统能够把巨大的有效载荷送入近地轨道，而每公斤重量只需要花费10美元，这将为太空旅行带来重大变革。有科学家设想用1000兆瓦（这是一座标准核电厂的功率输出）的巨型激光把两吨重的火箭送入轨道。火箭底部携带着有效荷载和水箱，而水缓缓地从水箱的细孔中漏出。当激光束冲击火箭底部时，水顷刻间汽化，产生一连串的冲击波，把火箭推向太空。火箭的加速度瞬间达到3g，并在6分钟之内脱离地球引力。
由于火箭没有携带任何燃料，因此，不存在助推火箭发生灾难性爆炸的危险。而化学火箭，即使经过了这么多年的发展，仍然具有约1%的事故率，而且这些事故都是非常惊人的。相比之下，光船技术显得既简单又安全，只用水和激光器，而且可以反复使用，只需要短暂的停机检修即可。因此，它最终实现的盈利会远远大于投资。

然而，我们也要看到这样的梦想会是未来数十年之后的事情。巨型激光发射器的基础研究所需要的经费远远超过一所大学所能承受的数额。除非该项研究得到大公司或政府的担保，否则将永远不能建成激光推进系统。要想使用这样低廉的技术，还需要等待。
还有其他试验性的火箭设计，但是这些设计都具有不同程度的风险。
其中一种可能性是“气枪”，它可以从巨型气枪中发射抛射物，有点像凡尔纳的小说《从地球到月球》中的火箭。只是，凡尔纳的火箭已被证明是不可行的，因为火药不可能以每小时40000公里的速度发射抛射物（该速度是摆脱地球引力的必要速度）。相比之下，气枪利用长枪管中的高压气体高速推进抛射物，枪里的气体是甲烷和空气的混合体，事先被增压到大气压力的25倍。当气体被点燃时，有效载荷以惊人的30000g的加速度顺着爆炸力攀升，这样的加速度足以摧毁大多数金属物体。
已经有科学家证明过“气枪”的构思是可行的，不过，要把有效载荷送入外层太空，气枪管必须足够长，至少也要接近300米，还必须沿弹道采用不同的气体。要使有效载荷达到逃逸速度，必须在5个阶段采用不同的气体。

1、太阳帆
太阳帆是个听起来有点玄妙的推进系统。它利用了这一事实：尽管光没有质量，但是它有动量，因此可以施加压力。来自太阳的光压非常小，小到用手都无法感觉到，但是，如果有足够大的帆，我们又有足够的时间等待，它就能够驱动星际飞船。要知道，太空中的太阳光强度是地球上太阳光的8倍。
想象一个巨大的太阳帆，它由极薄的但有弹性的塑料制成，宽度达到数公里，直接在外层空间修建。一旦组装起来，它会慢慢地围绕太阳旋转，获得越来越多的动量。绕太阳旋转几年之后，它就旋转脱离太阳系，到达下一个恒星系。科学家预测，这样一个太阳帆能够使飞船的速度达到光速的0.1%（每秒300公里），在400年后就能到达最近的恒星。
为了缩短抵达恒星的必要时间，我们甚至可以给太阳帆增加推进器。一种可能性是在月球上放置一组大型激光装置。激光束射到帆上，在帆朝着恒星飞行时增加帆的动量。

由太阳帆驱动的宇宙飞船面临的一个问题是很难停止和转向，因为光是从太阳向外运动的。一种可能性是使太阳帆的飞行方向倒过来，利用目标恒星的光压让飞船减速。另一种可能性是围绕远距离恒星飞行，利用该恒星的引力在返回途中产生弹弓效应。还有一种可能性是在卫星上降落，建造激光电池，然后背对恒星光和卫星激光束飞行。但无论哪一种，都会使它的控制显得笨拙而迟钝。
这并不止是一个空想。2010年，日本太空开发署成功地发射了“伊卡洛斯”号太阳帆。这是利用太阳帆技术在星际空间发射的第一艘宇宙飞船。该帆呈正方形，对角线长约20米，利用太阳帆推进系统向金星飞行。日本人希望，最终能够利用太阳帆推进系统向木星发射另一艘飞船。

太阳帆的飞行原理：
太阳帆从字面解释上看属于一种帆型航天器，不使用传统的火箭发动机，因此也省去了大量的燃料空间，能够携带足够的货物或者仪器设备。太阳帆的工作原理非常简单，即利用太阳光对帆面产生的压力前进，俗称光压。根据光的粒子性特点，撞击帆面能够推动航天器前进，就像古人在大海上使用的船帆，这也是“太阳帆”命名的来源。事实上，太阳光的光压可以通过几个常见的天体物理现象来发现，比如彗星在通过近日点附近时会出现大量的表面物质蒸发，太阳光粒子撞击在彗星表面蒸发的气体上会改变彗尾的方向，不论彗星靠近太阳还是远离太阳，彗尾的方向总是固定不变的，那就是远离太阳的方向。
太阳帆的工作原理非常简单，利用太阳光对帆面产生的压力前进，俗称光压：
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同理，太阳帆也是利用光粒子的定向性产生推动力，每个光粒子都具有一定的动量，当光粒子撞击在太阳帆面时就会产生反作用力。根据动量守恒定律，光粒子的动量就会转换为航天器前进的速度。不过由于光粒子的质量非常小，即便光粒子接近光速前进，但动量值也小得可怜，但如果大量的光粒子撞击帆面，那效果就非常可观了，太阳帆探测器就是利用这个原理产生前进的推力。

太阳帆探测器所遇到的技术瓶颈：
在上个世纪20年代，太阳帆的概念就已经被提出，当时的一位名叫齐奥尔科夫斯基科学家认为利用太阳帆能够在宇宙中航行。他是一位顶尖俄国科学家，也是世界上最著名的航天领域先驱者，他奠定了现代宇宙航行的理论基础。太阳帆的概念在目前已经发展了近一个世纪，目前已经进展到发射太阳帆探测器工程验证阶段，至少走出了理论层面。在太阳帆探测器领域，走在最前面的应该是日本宇宙航空研究开发机构，其研发的“伊卡洛斯”号（IKAROS）太阳帆飞船于2010年升空，同时发射的还有“破晓”号金星探测器。自那时起，“伊卡洛斯”号成为世界上第一艘成功部署太空的太阳帆探测器。

“伊卡洛斯”号的成功与其技术成熟度是分不开的，太阳帆探测器的关键在于帆面材料的研发。“伊卡洛斯”号上使用的帆面由聚酰亚胺树脂制造而成，尽可能降低帆面质量。当然并不是说聚酰亚胺树脂被制造出来就能够用于太阳帆的制造，其中还有很多工序需要完成。这就像打造一面镜子容易，但用于望远镜的制造却又需要一次技术飞跃。太阳光粒子的质量非常低，要想获得足够的加速度，一方面是增加帆面的面积，另一个方面是降低航天器的质量。帆面的面积增大也不是随意为之，“伊卡洛斯”号上的帆面的面积为14平方米，厚度仅为7.5微米，将聚酰亚胺树脂材料加工到这个级别显然需要足够的加工工艺。
目前，太阳帆的帆面被控制在数十平方米这个级别，超过100平米的帆面还处于研制之中。根据计算，帆面直径扩大至300~400米，面积在数万平方米，这样就能在短时间内产生可观的加速度。如果这是一艘质量为1吨重的航天器，那么前往火星的旅途差不多在350~400天左右。也可以进一步扩大太阳帆的面积，这样可获得更大的加速度。于是就出现了一个新的问题，帆面的面积并不可无限增大，数微米厚度的帆面在数万平方米上要保持足够的强度仍然需要在材料学上有所突破。

同时，太阳帆还需要应对空间微流星的问题，一旦微流星撞击帆面，那么后果是非常严重的。因此，太阳帆在结构上需具有抗微流星撞击的能力，即便部分帆面被击穿而失去效能，也能够利用剩余的帆面继续前进。毕竟，太阳帆探测器的未来要用于星际航行，一旦失去帆面，那么这艘飞船就面临失去动力的危险。

太阳帆的未来应用前景：
太阳帆的应用前景令人激动，该技术已经被美国宇航局列为未来100年内有望实现的行星际空间飞行动力，至少在火星任务中可以使用。日本的“伊卡洛斯”号探测器已经实现了行星际空间飞行，在2010年时飞抵金星，并从距离金星表面80000公里的高度上掠过，目前，探测器已经进入扩展任务阶段。在“伊卡洛斯”号之后，美国宇航局也提出了 Sunjammer 太阳帆探测器项目，帆面达到1200平方米以上，这是目前最大的帆面设计，不过该计划还处于推进之中。美国宇航局的另一艘Nanosail-D 太阳帆动力探测器的总重量仅为30公斤，帆面材料为聚酰亚胺薄膜。

目前，这几艘太阳帆飞船是帆推进技术的应用典范，预计在本世纪中叶，太阳帆有望成为一种比较成熟的行星际探测器动力。比如前往木星、冥王星等都可以利用太阳帆，反向进入金星轨道也可以通过改变角度来实现逆光飞行。由于太阳帆受到帆面大小的制约，大质量的航天器暂时还无法使用太阳帆飞行，如果到本世纪末，或许在火星与地球之间建立的行星际交通网就有可能采用太阳帆实现载人摆渡，因此，该技术真正考虑用于太阳系外的载人探索还需要更长的时间。
2. 核火箭
和许多科幻作品一样，科学家也考虑过用核能驱动星际飞船。只是在上世纪五六十年代的一系列试验中，有关核火箭的构思基本都以失败而告终，因为它们太不稳定，太复杂，以至于无法处理。而且我们还在试验中发现，普通的聚变反应堆不能产生驱动星际飞船的能量。一座典型的核电厂的发电量约为10亿瓦，这样的能量不足以抵达恒星。
有科学家因此提议采用原子弹和氢弹而非反应堆为星际飞船提供动力。比如大名鼎鼎的“猎户座计划”提出的火箭是由原子弹爆炸所产生的一连串核冲击波推进的。星际飞船可以从其后面丢下许多原子弹，产生一系列强大的X射线冲击波，然后冲击波会推动星际飞船向前飞行。这是一个一举两得的计划，既可以帮助人类探索外太空，又可以借机消耗掉地球上那些危险的武器。有物理学家估计，一艘重达800万吨的飞船开展一次太阳系内的航行，大约需要1000颗氢弹提供动力，这是个相当划算的数字。
只是后来出台的《全面禁止核试验条约》扼杀了“猎户座计划”，该条约禁止实行核武器的地面实验。没有了实验，物理学家无法对项目的设计进行改进，于是只能黯然终止。

3. 冲压喷气聚变
有科学家提出了另一个核火箭建议，他把聚变发动机想象成类似普通的喷气式发动机。冲压喷气式发动机吸取前面的空气，然后与燃料进行内部混合。点燃空气和燃料混合物后，产生化学爆炸，形成推力。他设想着把相同的基本原理应用于聚变发动机上。冲压喷气聚变不吸取空气，而吸取星际空间到处可见的氢气。氢气被电场和磁场挤压、加热，直到氢气融合成氦，这个过程释放大量的能量，引发爆炸，然后产生推力。由于在外太空在理论上存在着取之不尽的氢气，因此，我们可以想象得到，冲压喷气聚变发动机能够永久运行。