太空战术指南（5）：力量之源

动力系统工程师艰难地侧过头，朝一旁的“雷鸣”号轮机长望去。轮机长瞪着两眼，直直地望着前方的屏幕。胸腹部缓慢地鼓起，勉强停留了半秒钟，很快塌陷下去。她回过头，把注意力放在自己的呼吸上。她努力撑开胸廓，同时尽力向前鼓出肚子。面罩里的气流冲进口鼻，灌进她的肺泡。供气压力稍稍缓和了呼吸困难。有人描述这像一头大象站在胸口。不，这是躺在液压锻造机下面。

前方屏幕上跳闪着两个时间。已经过去的时间和还剩下的时间。已经过去了7分11秒，还剩1分47秒。快了，就要结束了，她想，坚持住！。在两个时间中间的数字刚刚从4.6跳到4.7。这是加速度。4.7g¹。这是一个新纪录。工程师把目光落回到显示器上。所有推进器的指标都是绿色，都在正常范围内。一切都很健康。总推力138.2MN²，5台推进器的总功率达到234.0TW³。“雷鸣”号趁大修时换装的新推进器，在它第一次全功率的试航里，表现得很出色。

终于结束了。人生中最长的8分58秒。周围的每一个人都在击掌欢庆。她仍旧瘫坐在椅子里，大口地喘着气，像一条缺氧的金鱼。

太空时代，驱逐舰重拾“深空雷击舰”的老本行⁴。在一览无余的太空中，要突进到鱼雷发射距离并不容易。这需要驱逐舰具备很强的加速能力。注意，不是速度，是加速能力。在太空中没有阻力，驱逐舰（以及任何其他物体）可以顺着惯性维持着原来的速度一直滑行下去⁵。真正体现出机动能力的，是加速度。而加速度的来源，自然就是推进力。推进力毋庸置疑，来源于推进器。

太空战舰的推进器必定是这样的：

首先，它必须推力巨大，功率巨大。一艘3000吨战舰，如果要达到4.7g的加速度，就需要138MN的推力。需要达到几百TW级别（为什么不是具体的一个功率值呢？后面会具体讲到）。

其次，超高比冲。比冲决定了战舰装载的燃料和推进剂能够维持多长时间的加速。更确切地讲，能够产生多大的$\Delta v$。而$\Delta v$决定了战舰到达太阳系各个角落的能力和时间⁶。另外，长时间维持一定的加速度，比如0.3g，能够产生稳定的人造重力，有助于维持舰员的状态。

最后，必须是自带能源。具体来讲，推进器必须依靠燃烧燃料产生能量，并且产生喷流。这就意味着通过$原动机\to 发电机 \to 电推进$这类需要能量转换的推进方案无法使用。因为，战舰的推进功率高达数百TW。如果推进系统中有能量转换，哪怕存在1%的损耗，产生的废热功率也高达几TW。排放掉这些热量需要平方公里级别的散热器，这就很夸张了⁷。如果推进器的能量是内源型的，只需要尽可能做好反应的约束即可。在热管理上要从容得多。

具体到各种太空推进技术，下面的表格针对这三个条件做了归纳：

这里面只有三种推进技术能够满足要求：核聚变推进、反物质催化聚变/裂变和直接反物质推进⁸。后面两种涉及到反物质，很不好伺候。所以，最终推进方案聚焦在核聚变推进上。

核聚变反应种类很多，常见的，有工程价值的大体有三种⁹：$D-T$（氘-氚）聚变，$D-{}^3He$（氘-氦3）聚变和$p-B^{11}$（氢-硼11）聚变。$D-T$的反应条件最低，最容易进行聚变。通常只需要1亿K¹⁰的等离子体温度便可以触发聚变。但是它有个大问题。它的反应产物是${}^4He$和中子。中子这东西非常讨厌。它电中性，没法约束。D-T聚变的80%能量（14.07MeV）都在它上头。这么大能量的中子到处乱撞，推进器的材料很快就会被损伤。必须通过厚重的屏蔽材料吸收中子。不但增加了推进器的死重，还不得不从屏蔽层抽走巨大的反应能量，去发电。然后就又遇到了发电效率和废热处理的问题。

从反应产物角度来看，$p-B^{11}$是三者当中最理想的。它的反应只产生3个$\alpha$粒子。$\alpha$粒子实际上就是氦4原子核，是带电粒子。这就非常好，带电粒子会与磁场相互作用，能够用磁场来约束。而且，高能带电粒子在磁场中运动本身就能产生磁感应，可以直接发电，跳过热机发电这一个环节。当然，即便如此，在超大的功率下，即便是直接发电产生的损耗废热，也是热管理的噩梦。然而，$p-B^{11}$的这些特性在作为原动机时很有优势。但用作推进器的话，它并非最佳选择。这是因为$p-B^{11}$聚变反应产生的$\alpha$粒子原子量大，原子量越大，喷流的速度越低，推进器的比冲也就越低¹¹。最后，最困难的一点，$p-B^{11}$聚变反应的点火条件是三种聚变反应中最高的。启动聚变的等离子体温度在40亿K级别，远在其他两种聚变反应之上。再加上反应产物3个$\alpha$粒子质量大，更容易跟电子纠缠，容易产生强烈的轫致辐射，把大量的聚变能量变成难以利用的X-射线。

那么，就剩下了$D-{}^3He$聚变了。的确，$D-{}^3He$在很多方面都存在优势。首先是反应能量高。$D-{}^3He$的聚变能量达到18.35MeV¹²，高于$D-T$聚变的17.59MeV和$p-B^{11}$的8.68MeV。其次，反应产物——1个质子加一个$\alpha$粒子。都是带电粒子，可以很好地约束和控制。而且，反应产物中质子的质量只是$\alpha$粒子的$\frac{1}{4}$，而且有大约80%的能量集中在质子身上。其结果就是$D-{}^3He$的理论比冲是最高的¹³。最后，$D-{}^3He$聚变的点火条件介于其他两位之间，大约8～10亿K，比起$D-T$高很多，但比$p-B^{11}$好很多了。

$D-{}^3He$聚变的麻烦也不少。最主要的就是燃料获取。${}^3He$不是那种在某个地方挖一铲子就能提炼出来的矿产。地球上${}^3He$极端稀有，大气中的丰度仅仅7ppt（万亿分之一）。月球好那么一点，不过月壤中的${}^3He$也仅有ppb（十亿分之一）量级。开采1公斤${}^3He$需要处理50000吨月壤。真正有价值的He3矿是木星，丰度达到几十ppm（百万分之一）。大约处理34吨木星大气就能提取1kg${}^3He$。然而木星重力太强大，逃逸速度达到了60公里/秒。开采船只能以很高的速度掠过顶层木星大气，吸取气体。回到太空后送去精炼厂提取${}^3He$，当然还能顺手提取D。

其次的问题是副反应。$D-{}^3He$有D。D不光会和${}^3He$聚变反应，D还会跟D反应，产生T（氚）和质子。然而，D和D聚变，还会产生${}^3He$和中子。然后D和T再反应，产生${}^4He$和中子。中子，高能中子，是核聚变里面最讨厌的东西。所以，还需要特殊的技术手段来抑制这类副反应。

接下来，应该采用哪种类型的聚变反应堆？

聚变反应的本质是让燃料的原子核撞在一起。原子核都带正电。两个正电粒子离得越近，斥力越强。两个原子核需要飞得足够快，才能让它们相互接触。粒子的速度大体上可以用温度来描述。于是就有1亿度、8亿度的形象的说法。

当燃料温度达到几亿度之后，早就已经变成等离子体了。在等离子体中，电子已经跟原子核分离，各自自由行动，只不过电子的负电荷跟原子核的正电荷数量相等，聚集在一起，整体上形成电中性。这个温度的等离子体肯定无法用实体容器包容，只能依靠磁场。强力磁场把等离子体燃料聚集成一团或者一束。这是所谓的磁约束聚变（Magnetic Confinement Fusion, MCF）。MCF的代表是托卡马克（Tokamak）装置、仿星器（Stellarator）、磁镜（magnetic mirror）等。

这里面托卡马克和仿星器都是把等离子体约束成甜甜圈的形状，带电粒子在一个无始无终的环形圈圈里，永远出不去。而磁镜则是一截胖香肠的形状，磁场强度在中间低、两端高。两者之间相差几倍到几十倍。这个磁场强度分布会把大部分的等离子体约束在香肠的中心。很显然，甜甜圈形状的等离子体出不去，自然就无法形成喷流，也就无法产生推进力。相比之下，如果降低磁镜一端的磁场强度，让反应产生的等离子体从一端喷射出去，这就能产生推力了。

站在磁约束对立面上的是惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）。磁约束属于“放养”型的聚变。把燃料等离子体约束在强磁场中，给它足够高的温度，然后就等着聚变反应自然地发生。惯性约束则是“暴力”型。它不等，来硬的。它用非常强的激光，打在一个微小的颗粒燃料上。外壳吸收了激光的能量，产生剧烈的内爆，快速压缩燃料，强行把原子核捏在一起。一定程度上可以认为是引爆一颗颗微型氢弹。

后来，就发展出这两种聚变方案的杂交——磁惯性聚变（Magneto-Inertial Fusion，MIF，或者Magnetized Target Fusion， MTF）。磁惯性试图改变磁约束反应低效和惯性约束的极高的压缩比需求。它先用强磁场约束和磁化燃料等离子体，然后依靠某种方式强烈压缩等离子体来触发核聚变。压缩的手段可以是磁场强度的快速变化；不同形态的外壳压缩在电磁作用下剧烈收缩；通过液态金属传递的机械冲击波；两团燃料等离子体相互对撞等等。磁惯性聚变是一个种类繁多的聚变方案大杂烩。不过核心的特征必须是强磁场磁化燃料等离子体+等离子体快速压缩。这些方案可以看作采纳了磁约束和惯性约束各自的优点的混合体。

在众多磁惯性方案中，有一类比较特别，叫做“z-箍缩”（z-pinch）。z指的是轴向。也就是聚变燃料聚成一束，沿着燃料束的轴向就是z轴。z-pinch基于一种有趣的电磁现象：当强电流（几十万～几百万安培）通过一根长导体的时候，会产生强烈的环向磁场。环向磁场挤压导体产生巨大的向心压力。闪电巨大的电流就能把金属管捏成麻花。

如果把金属管换成燃料等离子体，那么就能够利用z-pinch的力量快速压缩燃料，触发核聚变。燃料先激发成等离子体，并形成一束。然后通上MA级别的瞬时强电流，形成强烈箍缩。

相比于其他的方案，z-pinch核聚变有独特的优势。它比其他的磁惯性方案简单，相比$电流\to磁场\to压缩$的方式，直接用电流激发等离子体压缩，省去了中间转换环节，更有效，也更方便。

z-pinch的问题也很明显，长长的等离子束（长度几十厘米，直径几毫米）在强电流之下会变得很不稳定，不能均匀地箍缩，无法完整形成聚变。需要通过预置磁场，磁通压缩，等离子束的层流控制等等手段来稳定箍缩下的等离子体。

还有一个工程层面的问题，需要给等离子束通上强电流。但是聚变反应区属于高温、高辐射环境，高能粒子四处乱窜。任何实体电极都很难撑过几次放电。所以得采用无电极电流导入方案，比如电磁感应、电子注入等等。

最终的方案是一个混合体：在一个强磁场中约束燃料等离子束，在使用磁通进行初步压缩后，导入强电流，最后触发聚变。

聚变完成后的燃烧产物还需要变成喷流。这时候，就需要用到磁喷管。磁喷管的入口是一个磁喉，也就是磁场的截面直径收缩的部分，目的是把刚产生的反应产物进行加速，令其达到临界速度，也就是接近磁流体音速的速度。然后，磁场像一朵喇叭花一样地逐渐张开，磁场强度逐渐变弱。在逐渐变弱和扩散的磁场作用下聚变产物中的带电粒子会沿着轴线加速，把大部分的能量转化成轴向的速度，形成喷流，向后喷出。于是，就得到了推力。

磁喷管还有一个有趣的现象。等离子体包含等电量的电子和原子核。在磁喷管中，电子和原子核都得到了加速。但是，电子质量小¹⁴，非常容易被加速，会瞬间冲到前面去。质量巨大的原子核只能跟在后面慢慢加速。电子都跑到前面去了，这就在前面形成负电区，而原子核聚在后面形成正电区。这叫做“双极电场”（ambipolar electric field）。两者之间在库仑力的作用下，立刻相互吸引。这就形成了电子拖着原子核跑的局面。库仑力太强了，几乎就在双极电场刚一形成，还未来得及扩大的时候，就把原子核拉出去了。双极场效应大大提升了磁喷管的效能。

$D-{}^3He$聚变推进器的理论比冲可以达到2710000秒，即喷流速度26600公里/秒。足够高。在这个比冲下，3000吨的“雷鸣”号从地球出发，以1g加速度飞往木星，需要消耗565吨$D$和${}^3He$。这相当好，7.865亿公里¹⁵，只用6天半的时间，最高速度达到2777公里/秒¹⁶，消耗的燃料只占战舰总重的18.8%。

不过，这是理论比冲。实际情况下是不可能达到。一个推进器能够把70%的聚变能量转换为喷流动能¹⁷，实际能得到的比冲是227万秒（22270公里/秒）。需要662.2吨燃料，占总重的22%。这也是能接受的。作为深空战舰，30%的燃料系数¹⁸属于正常范围。

当然，正常情况下是不会那么赶路的。长距离航渡会采用更加温和的加速度。比如0.3g。消耗383吨燃料，12天到达。既能减少燃料消耗，时间也能不长，也能保证船员的工作状态。

接下来，出现了一个奇妙的状况。假设“雷鸣”号推进器最高功率234TW，能够把70%的聚变反应能量转换成喷流功率。计算下来，就能够得到喷流速度是22270公里/秒（ISP=227万秒），燃料消耗率0.66公斤/秒，加速度达到0.5g。那么，再要提高加速度该怎么做？注入更多燃料？增加燃料流量，就会自然提高聚变功率。“雷鸣”号的推进器总功率上限是234TW，注入更多燃料会造成推进器超负荷。实际做法是往反应产物中注水。字面意义的注水。确切地讲，是往里面喷推进工质。几乎所有的物质都能用作推进工质，水是其中比较易得的物质。在推进器聚变反应功率不变的情况下，在聚变反应产物中注入非核反应工质，会提高推力，但是降低比冲。如果朝推进喷流中额外注入2.615kg/s的工质，会将比冲降低到1,020,000s（10,000km/s），但是推力提升超过一倍，达到1.11g。如果额外注入12.443kg/s的工质，比冲降到510,000s（5,000km/s），推进加速度达到2.23g。推进器功率固定的情况下，推力和加速度与比冲成反比。而且，理论上只要注入足够多的工质，比冲降得足够低，就能得到足够大的推力和加速度¹⁹。代价就是推进剂会消耗得很快，降低整体的$\Delta v$。

意思就是说，战舰除了需要携带核聚变燃料之外，还需要携带推进工质。推进器在只消耗燃料的情况下，也就是最高比冲的时候，不需要达到很大的推力和加速度。通常只需要0.3g，甚至0.1g，就够了。在长距离航渡的时候用最高的比冲。当需要获得大推力进行战斗或者机动的时候，就注入额外的工质，降低比冲，提高推力。高g机动的场合通常不会很多，时间也不会很长，通常能够维持2-3小时的2g以上的机动就能满足通常的作战需要。

核聚变运用在推进器上之后，功率、推力、比冲都是绰绰有余。聚变推进器面临的最大问题反而是，功率太大。当功率达到TW，甚至PW级别之后，将会给热管理带来巨大的挑战。

在$D-{}^3He$反应中，聚变发生之后，核能基本上都集中在质子和${}^4He$核上，粒子们有非常高的速度，在磁场的作用下形成喷流。理想情况下是这样。实际情况下，会有部分的能量没有留在喷流中，它们会以辐射的形式（主要是中子和X-射线）泄漏出来。

会有$D-D$和$D-T$副反应。两种副反应占比不算很大，最多的时候占到15%～16%。其中中子的能量是无法直接变为喷流的，占到10%～11%。通过调整$D$和${}^3He$的比例和一些其他手段，可以让中子带走的能量降到1%以下。

另外，在燃烧完了的反应产物里，高能质子和原子核会跟电子相遇，然后把自己的巨大能量的一部分传递给电子，让电子飞得更快。电子只要速度一变化，就喜欢往外辐射电磁波。这种辐射被称为轫致辐射（Bremsstrahlung）。基本上不加处理的话，会占到聚变能量的20%。通过各种手段控制电子的速度，大体能将轫致辐射的强度降到5%以下。

即便将所有的辐射泄漏能量压制到5%，需要处理的这部分辐射功率也超过10TW。面对这个级别的辐射，最合理的手段不是吸收，而是释放。所以，聚变推进器必定是个笼架结构。除了必要的结构件——连杆、圆环等等以外，没有任何壳体。构建磁场的电磁线圈、各种微波、电力转换，以及冷却通道等等部件则嵌入到结构件的内部。这样，大部分的辐射都可以通过结构件之间的空洞直接射出推进器。

此外，还可以让一些具有吸收能力的等离子体在核反应区周围形成包覆层，吸收中子和X-射线。包覆层循环起来，将吸收的能量提取出来，重新注入喷流，或者以其他形式排放掉。

最终聚变反应沉积到推进器上的能量，不得不通过冷却系统吸走。这部分高熵的能量，同样也可以通过某种方式抽走一部分能量（热机发电等等），部分用于战舰其他方面的电力供应，部分直接以微波辐射走。没有抽走的沉积能，只能依靠散热器排出。

推进器热管理方面有一个最反直觉的地方：热管理最困难的时候并非是推力最大的时候，反而是最高比冲推进的时候。具体来讲，“雷鸣”号在不注入额外工质的情况下，最大加速度0.5g。就在这个时候，聚变反应达到了最大的功率。当注入大量的工质的情况下，可以先用工质冷却推进器的结构，然后从反应区的周围流过，吸收一部分泄漏的辐射，最后带着能量注入喷流。此时需要处理的发热相对比较少。但是，当推进器工作在最高比冲的时候，没有工质带走这些泄漏的能量。

这里已经粗略介绍了太空战舰推进器的大致样貌。下一篇具体探讨一个问题——影视剧里的飞船缺少散热器，究竟是不是合理？