自然选择号前进四 自然选择号模型图片

《三体》是国产科幻小说的一座高峰，这应该没什么争议，现在国内的腾讯和美国网飞竞相拍摄三体剧集，就是最好的证明。即使有很多人不喜欢它，但也无法提供另一部能与之匹敌的作品

《三体》是国产科幻小说的一座高峰，这应该没什么争议，现在国内的腾讯和美国网飞竞相拍摄三体剧集，就是最好的证明。即使有很多人不喜欢它，但也无法提供另一部能与之匹敌的作品。人马君也是三体迷，对《三体》中的宏大叙事和硬派科幻很是推崇，但这并不妨碍我们来严肃的讨论其中的一些细节，比如章北海为了它而不惜杀害几位元老的高端航天技术：“无工质”辐射推进发动机，看看这种发动机到底是真的可行，还是一种艺术的加工和想象。

“自然选择”号无工质辐射驱动飞船

章北海心目中的神器

章北海是很多人心目中的悲情英雄，为了全人类的未来而隐藏自己的真实想法，并冷酷的杀害了坚持发展“有工质”聚变发动机的航天界元老，成功将人类的科技树导向了“正确”的方向：“无工质”辐射推进聚变发动机。这里面的“有工质”和“无工质”区别，主要在于以核聚变为能量的发动机喷射的是有静质量的物质，即“工质”，还是纯粹的光子，即辐射驱动。

章北海是很多人心目中的英雄

章北海选择无工质发动机的理由是：核聚变可以释放出巨大的能量，但有工质发动机利用聚变能将工质加热并向后喷出，需要携带大量的工质，当工质耗尽时，即使聚变燃料还有，也无法再推进了。而无工质发动机不需要携带工质，以惯性约束方式进行的核聚变所发出的能量，全部以伽马光子的形式向后发射，利用反冲作用使飞船获得加速度，小说中采用这种推进方式的“自然选择”号，采用最大功率档位“前进四”，可以加速到光速的15%，并且续航时间超长。

“自然选择”号，前进四！

平心而论，作为一部科幻小说，“无工质”辐射推进飞船的设定还是很符合硬科幻气质的，但如果仔细推敲一下，其实这里面存在着很大的问题，不仅是工程上的可行性，甚至连基本的思路可能也跑偏了！

“无工质”真的比有工质好吗？

首先，这一设想的基础是认为“核聚变的能量几乎是无限的”。然而这是有问题的，对于在地球上的旅行，或者太阳系内的飞行，核聚变产生的能量似乎是无限的，从而使工质的携带量成为瓶颈。然而对于恒星际旅行来说，核聚变的能量远远称不上充裕。最理想的聚变：四个氢核聚变为一个氦核，质量亏损仅为0.7%，根据爱因斯坦的质能方程，亏损的质量将转化为能量。而实际上这种理想聚变的条件对人类来说很难达到，更现实的是氘氚聚变或氘-氦3聚变，其中氘-氦3聚变释放的能量高，且不产生中子，氦3在太阳系的储量也比较丰富，因而被很多设想中的聚变发动机方案优先选用，但这个反应的质量亏损更低，仅为0.39%，

"代达罗斯"计划中的聚变推进飞船，旁边是土星五号火箭

先来看一看有工质聚变发动机的性能，这里的有工质，是指聚变发出的能量直接加热聚变产物，将其以高速喷射出去，聚变产物就是“工质”。参考上世纪“代达罗斯”计划的数据，假设飞船质量5万2千7百吨，携带5万吨的氘-氦3燃料，为了简化，假设飞船只有一级火箭（“代达罗斯”计划有两级），发动机的喷气速度约为1万公里/秒，从0开始加速的话，根据齐奥尔科夫斯基火箭公式，最终速度将达到光速的9.9%。“代达罗斯”计划由于采用两级发动机，效率更高，最终可以达到光速的12%左右。

由此可见，即使在携带了超过总质量90%的聚变燃料的情况下，飞船速度也就将将能满足恒星际旅行的需求，即使不考虑减速，到达最近的恒星也需要几十年。因此，对于恒星际飞行来说，聚变的能量密度并不算高，仍然需要携带大量的核燃料。当然，在这种情况下，为了提高效率，也只能把聚变废物作为工质，不可能再考虑加热其它工质来产生推力了。

“代达罗斯”的两级设计

我们再来看看《三体》中描述的无工质辐射驱动发动机，考虑最理想的情况，聚变产生的能量全部以光子的形式向后发射（实际上这是不可能的），那么可以产生的向前的冲量为5.85*10^14千克*米/秒，如果燃料聚变后的废物没有被随时排出飞船的话，最终速度仅能达到光速的0.39%。当然，这么算有点儿不公平，因为我们也可以考虑把聚变废物随时排出去，并且忽略这些废物中所含有的能量，人马君粗略的算了一下，最终速度有所改善，达到了光速的1.2%，仍然远小于有工质发动机能够达到的水平。

实际上，只有采用反物质的无工质发动机才有意义，正反物质湮灭的质能转换效率可以认为是100%（不考虑产生的介子的话），如果前面说的飞船装了5万吨正反物质燃料，最终的速度会非常惊人，甚至会出现明显的相对论效应。

如何实现辐射驱动？细节问题难以解决

即使不考虑推进效率，以聚变或反物质燃料驱动的无工质发动机，仍然存在一些难以解决的问题。让我们来思考一下辐射具体是怎么驱动飞船的：

《三体》中已经说明，发动机的聚变采用的是惯性约束，假设聚变能量都转化为光子，只能靠这些光子的光压来推进飞船前进。但无论是聚变还是正反物质燃料，在宏观尺度上，所产生的光子都是向四面八方发射的。这时需要装一个抛物面反射镜，将聚变反应点放在抛物面的焦点上，如果反射镜做的足够大的话，会将大部分光子全部反射为向后平行发射，这时飞船能获得最大的冲量。

F为抛物面的焦点，该点发出的光线会被反射到同一方向

但这又带来了另一个问题，聚变所产生的光子，有相当大一部分是伽马射线和硬X射线，这些射线很难被反射，绝大部分能量会被材料吸收，化为热量，不仅降低了光压，更严重的是还会把飞船给熔化掉。至于正反物质湮灭，所产生的几乎全都是伽马射线，该问题更加明显，要找到能把这些伽马射线几乎全反射回去的“镜子”，目前还没有这种可能。

因此，用高能光子来搞辐射驱动，可行性非常低。而那些用较低能量的光子来推动“光帆”的方案，可能更靠谱一点儿。

霍金的“突破摄星”光推进飞船，用地球上发射的激光束推动光帆（可见光）

结语

人马君的理论知识有限，以上分析不见得都对，不过能说明一些问题。无工质辐射驱动发动机，可能只是大刘的一种艺术想象，而非能够走向现实的靠谱科技。这里并无贬低《三体》的意思，毕竟“有工质”和“无工质”之争只是小说情节的需要，如果把它们换成其它形式的发动机，依然不影响故事情节的发展。而且，这一设定已经引发了网友的众多讨论和思考，对提升国人的科学素质也是大有好处的。