自第一枚液体燃料火箭诞生以来，更先进的推进系统正在设计中，将带领我们前往比以往任何时候都更远的太空

　　太阳帆——也被称为光帆或光子帆——的工作原理与地球上的帆类似，不同之处在于它们是由太阳辐射而非气流推动前进的。图片来源：马克加里克，科学图片库，阿拉米

　　罗伯特哈钦斯戈达德——一位被公众称为月球人、遭媒体嘲笑的物理学教授——曾发射出世界上第一枚液体燃料火箭。

　　近日它升空12.5米（41英尺），速度达到97公里小时（60英里小时），随后摔落到一片卷心菜地里。

　　但这个奇特的装置是后来所有火箭的鼻祖。戈达德意识到液体推进剂比固体推进剂更高效且可控。他为多级火箭和液体燃料火箭申请了专利——这两者对于后来探索太空至关重要。

　　罗伯特哈钦斯戈达德在美国马萨诸塞州成功进行了人类历史上首次火箭飞行。图片来源：盖蒂

　　然而，当时的普遍看法并不把火箭视为严肃的科学，而是华而不实的烟花，并且认为太空旅行纯粹是幻想。

　　戈达德受到了严厉的嘲笑，有一家报纸称他严重考验人们的可信度。戈达德予以反击：每个愿景在第一个人将其实现之前，都是一个笑话。

　　戈达德的成就对航天飞行的意义，正如莱特兄弟对航空的意义一样重大。但直到他去世后，火箭工程师们才意识到他们欠他的巨大恩情。如今，戈达德被尊为航天火箭的奠基人之一。

　　电力推进：太空飞行的未来？NASA计划发射一艘核动力航天器前往火星光动力飞船可能在数十年内抵达我们最近的恒星

　　然而，现在我们的太空旅行方式需要改变。自太空时代开启以来，宇宙探索一直依赖这些化学火箭，它们需要大量推进剂才能达到足够的速度以脱离地球引力。

　　从地球发射的最快物体是美国国家航空航天局（NASA）的新视野号探测器，它曾达到58580公里小时（36400英里小时）的离开速度。新视野号随后用了9.5年时间，行驶47亿公里（29亿英里）到达冥王星。

　　美国国家航空航天局新视野号任务的艺术家印象图。图片来源：美国国家航空航天局

　　月球可以在几天内到达，火星需要几个月，木星则需要几年。但离开太阳系穿越星际空间是完全不同的情况——用现有技术到达最近的恒星比邻星，需要75000年，并且需要的推进剂数量庞大到令人望而却步。

　　如今，不断发展的新技术已准备好助力我们向太空迈出下一步。有些技术（比如戈达德的首枚火箭）可能令人难以置信，但仍有可能在我们有生之年实现。以下是八种可能改变我们探索宇宙方式的新型推进方法。

　　电动系绳——由长导电电缆连接的成对卫星——可用于在太空中产生能量。来源：马德里卡洛斯三世大学

　　电动系绳——一种长长的导电电缆，当它们在行星磁场中穿行时会产生电能——可能有助于为未来的航天器供电，实现制动或加速、提升或降低轨道，并降低成本。曾有一颗从航天飞机部署的系留卫星对这一概念进行了测试，产生了3500伏的电势。

　　系绳有助于维持卫星轨道，省去昂贵的轨道提升任务。它们还可能能够清除轨道上的太空垃圾。

　　未来，系绳或许可以利用星际磁场为太阳系外的星际飞船提供动力。由轻质、耐用的凯夫拉、碳纳米管或高强度M5合成纤维制成的系绳，可能会促成首个太空电梯的诞生，以远低于当前成本的价格将有效载荷往返于地球轨道。

　　太阳帆——也被称为光帆或光子帆——的工作原理和地球上的帆船类似，只是它们由太阳辐射而非气流推动前进。图片来源：马克加里克，科学图片库，阿拉米

　　超薄太阳帆已是一种经济、低质量且无燃料的推进系统，其无活动部件的特点使其具有高度可靠性。此前，日本的一项金星探测任务首次在行星际空间对太阳帆进行了测试。

　　未来的计划设想用从地球发射的激光或微波推动帆在太空中航行。这需要巨大的、相互连接的光束可控激光农场，总输出功率达100吉瓦——足以供数百万家庭用电——但如果实现，它对太空探索的影响将是深远的。

　　通过光束推进进入太空的帆载航天器理论上可以在30到40年内到达距离我们约4.35光年的最近恒星系统半人马座阿尔法星——这与当今化学火箭所需的数万年时间相去甚远。

　　值得注意的是，突破摄星计划提议利用激光束向半人马座阿尔法星发送一队微型纳米探测器。

　　它们将由能够在光子层面操控光线的超薄薄片制成，与标准方法相比，这将提供更高的控制度和效率。

　　正在建造的一块太阳能电池板。更高效的太阳能电池板可能是让航天器飞得更远更快的关键。图片来源：视觉集团、盖蒂图片社。

　　太阳能电池阵已为航天器提供动力数十年，但由于远离太阳时照射在它们上面的阳光很弱，在木星以外的距离上往往效果不佳。历史上，太阳能电池阵使用过硅、碲化镉和砷化镓等材料，不过它们的重量和复杂性推动了新设计的出现。

　　目前，人们正在研发能以更高效方式收集太阳能的技术。量子点电池使用几纳米宽的半导体颗粒，可通过特定调节使其发电效率高达65%——远高于当前太阳能电池阵列约30%的效率。

　　功率越大，未来任务的能力就越强。量子点市场预计将从当前的7亿英镑（约9.1亿美元）增长至未来的25亿英镑（约31.7亿美元）。

　　另一种替代方案是钙钛矿太阳能电池，其效率比现有电池高35%，且成本低、耐缺陷、制造简单。

　　但它们也对水分敏感，这限制了其耐用性，且含铅量带来了毒性问题——尤其对于载人任务而言。过去，最大的钙钛矿电池只有指甲盖大小，因此可扩展性是个难题。

　　等离子推进是另一项即将出现的令人兴奋的技术。前NASA宇航员富兰克林张迪亚兹研发的可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）——一种以氙或氩为燃料的可变推力等离子体发动机——能在39天内抵达火星，比目前的六到九个月快得多。

　　等离子发动机还可能以较低成本将货物运送到月球轨道，并将前往木星或土星的旅行时间从6年缩短至14个月。

　　直接聚变推进利用聚变反应产生的能量直接生成推力，省去了重型能量转换设备。它使用非放射性的氘和氦3，而非像旅行者号、卡西尼号、伽利略号和毅力号等任务所使用的钚238，这也降低了对宇航员的辐射风险，并减少了辐射屏蔽的质量。

　　直接聚变推进器可使载人火星航行在四个月内完成，并能在2.6年内将9979千克（22000磅）的有效载荷送往土星的卫星泰坦。

　　普林斯顿等离子体物理实验室为美国国家航空航天局开发的一份可靠且令人兴奋的直接核聚变方案，设想用3.7年到达冥王星，而新视野号到达那里花了9.5年。

　　直接核聚变在到达时将为科学研究提供额外的2兆瓦电力，激光通信系统会从轨道器向具有巨大数据收集潜力的冥王星着陆器传输30至50兆瓦的电力。

　　反物质火箭只是未来可能将人类送往比以往任何时候都更远太空的推进系统之一。

　　反物质催化微聚变是一种概念性技术，其中少量反物质被注入氘、氚和铀的颗粒中以产生能量。

　　研究发现，以这种方式提供动力的航天器可以在18个月内完成木星往返飞行，在3年内单程抵达冥王星，或者在18年内将一台122米（400英尺）的射电望远镜部署到太阳系边缘，用于研究银河系中心。

　　但这门科学仍处于起步阶段。全球范围内，反物质的产量很低，每年约1至10纳克。存储也是一个难题——迄今为止，反氢原子的存储记录仅为1000秒——而且成本极高。

　　我们能用核能推进航天器吗？理论上是可以的——而且美国国家航空航天局（NASA）已经在研究一些相关想法。图片来源：NASA

　　核热推进技术的能量来源于核裂变反应而非传统的化学反应，能够提供相对无限的能量以帮助我们探索宇宙。若能完全实现，它可使有效载荷能力翻倍甚至增至三倍，将火星任务时间缩短一半，并减轻宇航员所受的辐射量。

　　美国国会曾拨款9300万英镑（约合1.25亿美元）给美国国家航空航天局（NASA），用于在2027年前建造核热推进火箭原型。但美国前ZF的2025年大规模预算削减加速了该研究项目的取消。

　　所有这些新兴技术都前景广阔：从系绳、太阳帆和先进太阳能电池等近期可实现的技术，到更具前瞻性的直接聚变推进、反物质催化微聚变和核热推进技术。有些可能很快实现；另一些则可能需要数十年甚至更久。

　　不过罗伯特H戈达德本人提醒我们，这个等式中还有另一个缺失的部分——那些安静的梦想家，他们的工作曾被嘲笑为严重考验可信度。在短短几十年间，戈达德的天才让火箭从华丽的烟花蜕变，推动实现了人类首次登月。未来的几十年也必将同样令人兴奋。

　　太阳系是以太阳为核心，受其引力主导的天体系统，由八大行星（水星、金星、地球等）、卫星、小行星带、彗星及星际尘埃构成，形成于约46亿年前。地球是其中唯一已知孕育生命的星球，整个系统在银河系内绕银心缓慢运转，是人类目前最熟悉的宇宙天体系统之一。Kaiyun中国 官方网站