太空充满着无穷的奥秘：地球之外的星球上是不是也有人类存在？流星是怎么一回事？有的星为什么会突然大爆炸？类星体离人类十分遥远，为什么却那么明亮……这些都有待人类去研究、去探索。

本书为《遨游太空丛书》之一，书中主要介绍了与火箭有相同功能的或性能远远超出现有火箭的未来航天运载工具。

本书主要介绍了与火箭有相同功能的或性能远远超出现有火箭的未来航天运载工具。作者先从以天然气和铝冰等环保燃料为推进剂的火箭介绍起，然后讲述了可重复使用的旋翼火箭和有众多用途的空天飞机；随后，作者又一一介绍了发射卫星的氢气炮、威力无比的电磁炮、驱动飞船的电子枪、不喷火的电子箭、超强巡航能力的核火箭、乘着光线的太阳帆、扶摇直上的太空电梯；最后，作者还展望了高效的反物质火箭以及宠洞和曲速引擎等设想中的星际航行方式。

第一章 火箭也环保

 火箭燃料的隐患

 环保的天然气火箭

 独特的优势

 探索之路

 光明前景

 源自焰火的铝-冰燃料

 “爱丽丝”初登场

 纳米铝担重任

 铝冰结合最环保

 可重复使用的旋翼火箭

 直升机式的火箭

 双人驾驶保安全

 “猎鹰”安全回巢

 不消耗燃料的“引力跳板”

 成功案例

 行星际传输网络

第二章 火箭与飞机的联姻

 伟大梦想的结晶

 多种方案难取舍

 北方的“暴风雪”

 高技术的早产儿

 超音速客机与航天飞机的对接

 遥远的未来

 太空新武器

 飞在时间前面

 太空旅游的最佳选择

第三章 坐着炮弹上太空

 发射卫星的巨型“气枪”

 威力无比的电磁炮

 未来的高级武器

 用电磁炮发射卫星

 驱动飞船的“电子枪”

 固定式质量加速器

 宇宙飞船搭载的质量加速器

 混合式质量加速器

第四章 不喷火的电火箭

 从梦想到现实

 深空探测显神威

 “深空1号”初露锋芒

  “黎明号”大显身手

 电从何处来

 等离子体发动机

 华裔航天员的新梦想

  阶段性的成就

 氮气推进剂

第五章 铸剑为犁的核火箭

 利用原子弹上天

 核辐射的困扰

 飞往火星的核火箭

 飞向另一个恒星

 强大的核聚变火箭

第六章 乘着光线的太阳帆

 在阳光推动下启航

 激光帆

 微波帆

 广阔的应用前景

 监测太阳

 星际探测

 推开小行星

 移动地球

 功败垂成的先驱者

 “宇宙1号”

 “纳帆-D”

 “伊卡洛斯”

 “光帆1号”

第七章 扶摇直上的太空电梯

 通向太空的电梯

 缆绳材料是难关

 关键部件齐装备

 电梯舱

 锚站

 平衡锤

 摇摇摆摆需克服

 各种危险要解决

 致命辐射

 太空垃圾

 恐怖攻击

 激光托举电梯舱

 太空“高速公路”

 月球太空电梯

 空间太空电梯

第八章 飞出银河系

 高效的反物质火箭

 神秘的反物质

 反物质火箭

 收集反物质

 自我复制的纳米探测器

 越小越快

 自我复制

 超越时空的虫洞

 曲速引擎

天然气是甲烷的俗名，是最简单的碳氢化合物之一。因为它与氧气燃烧时只生成二氧化碳和水，所以被认为是比较环保的燃料。现在，居民家中的燃气灶、城市热电厂、公共汽车等已经普遍使用了这种燃料。难道火箭也可以燃烧天然气吗？

2007年初，在美国加利福尼亚州莫哈韦沙漠的荒原上，雷鸣般的轰鸣打破了沙漠的亘古宁静。一台泛着银白金属光泽的火箭发动机正在显示自己的力量。它被固定在一辆液化天然气罐车后部，5米多长的高温尾气已变成蓝紫色，超音速烈焰与空气剧烈摩擦发出啸叫，地面上飞砂走石，场面惊心动魄……

这是型号为XR-5M15的液氧甲烷发动机的地面试验。虽然试验只持续了几秒钟，但对于在现场的研发人员来说，沙漠中的斜阳仿佛预示着传统火箭燃料的命运，而甲烷加液氧将是主宰太空的“新星”。

与传统火箭相比，天然气火箭具有许多独特的优势，比如经济、推进效能局、环保等。

与以往能源紧张时期要汽车背着沼气罐上路一样，现在火箭使用甲烷也是出于经济性的考虑。火星和太阳系其他地方都有这种气体。在未来的载人登陆火星任务中，航天器从地球发射时必须携带足以供航天员返回地面的燃料。如果这种燃料可以在火星上就地取材，节省下来的空间就可以装载更多的科学仪器，从而完成更多科学使命。航天员也因此能吃到更多从地球上带去的食物，可以好好地在神秘的红色星球上探查一番。这种火星上土产的火箭燃料就是甲烷。行星天文学家早就知道火星大气富含二氧化碳，如果在其中加人电解水得到的氢，再加热一番就能生成甲烷和水了。届时，航天员可以通过大规模生产设备将甲烷制备出来，供回家的路上使用。

如果把目光投向火星以外，我们会发现太阳系外围的某些星球上遍地都是甲烷，甚至天上都在飘落“甲烷雨”。“卡西尼号”的最新探测结果告诉我们，土星最大的卫星土卫六表面的湖海中，液态甲烷和其他液态碳氢化合物的数量十分惊人，是地球上已探明石油天然气总储量的数百倍。在那里，液态甲烷等碳氢化合物蒸发后形成“云”，再通过“降雨”落回地面，流进河道汇人湖泊。如果无人探测器能够从土卫六上采集甲烷，就可以将这颗巨型卫星变成飞往深空的燃料补给站。

除了经济性以外，甲烷火箭还具有其他优势。俄罗斯的运载火箭往往采用液氧煤油发动机。煤油燃烧时会产生微小碳粒，在发动机内壁累积焦炭残留物，造成发动机阻塞，妨碍其重复使用。多次开启和关闭的能力对于在大气层内使用的一次性火箭发动机或许并不重要，但是未来的行星际飞行需要火箭多次关闭并重新启动，如果发动机被积炭阻塞，重新点火便可能发生可怕的爆炸。甲烷就不存在这个问题，它能够完全燃烧，不易出现积炭。

“比冲”是衡量火箭引擎燃料的能量利用效率的■种标准量。虽然甲烷的比冲尚未达到液态氢的水平，但是液态甲烷比较稳定，且蒸发的速度比较慢，贮存也比液态氢容易。我们都见过使用液态甲烷的一次性打火机，但很少有人在手里把玩过一小罐液氢。在一个大气压下，液氢需要在-253℃的低温下保存，而甲烷在-163℃就变成液态。这意味着甲烷燃料罐不必采取那么复杂的冷却保温增压设施，火箭的价格和重量都会因此而降低。而且液态甲烷的密度比液态氢大，在相同容积的燃料箱内能够装载更多甲烷，这些甲烷产生的能量也比液态氢大。

此外，环保也是天然气火箭的一大优势。目前常用的四氧化二氮和偏二甲肼等火箭燃料都有较高的毒性，对地面工作人员和航天员的呼吸系统乃至生命安全会造成威胁。液氧甲烷的组合则较为环保，对人体基本无害。

把甲烷作为液体火箭发动机的备选燃料并不是新鲜事。早有研究者进行过这方面的尝试，尤其是20世纪80年代以来，很多国家都进行了液氧甲烷发动机的研究。

日本为解决火箭发动机煤油积炭和燃烧不稳定的问题，曾于1988年开展甲烷发动机的研究工作。但日本后来掌握了大型固体火箭助推器技术，最终合弃了液氧甲烷发动机方案。

俄罗斯克尔德什研究中心也提出过液氧甲烷发动机的设想。但是俄罗斯的液氧煤油发动机和液氢液氧发动机技术已经达到很高水平，暂时看不到使用甲烷发动机的必要性，所以未能开展实质性工作。后来俄罗斯将此技术推荐给了没有先进液体发动机的欧洲。欧洲航天局希望用甲烷发动机替代“阿丽亚娜5号”火箭的固体助推器，打造一台推力达到3920千牛的甲烷发动机。但在商业发射订单如雪片般飞向“阿丽亚娜5号”的背景下，他们进行研发的热情也不高。

火箭的安全性牵涉到巨额的商业利益和人员安全，因此火箭工程师宁愿使用技术成熟、性能可靠的火箭发动机，而不愿贸然尝试新的技术。由此看来，“旧的不去新的不来”在这里依然适用。

虽然这些甲烷发动机实用化的努力均告失败，但先行者总结出的经验也成了后人研发天然气火箭的宝贵财富。

日本宇宙航空研究开发机构为了研制“银河快车”火箭的第二级甲烷发动机，曾投入了数亿美元研发费用。该项目后来因为预算超支而暂停。为何天然气火箭的研制需要耗费如此巨资？这是因为甲烷作为燃料有一些不易克服的弱点。最大的难题是它较难点燃，不像液氢和液氧能够快速发生反应。使用甲烷的火箭发动机需要一个类似火花塞的东西来点火。对于在外太阳系执行任务的航天器来说，这可不是什么优势，那里温度低至-200℃，点火会变得很困难。

受美国政府资助的诺斯罗普·格鲁门公司成功解决了这一难题。该公司的TR408型甲烷火箭发动机是这样设计的：低温的液态甲烷和液氧在注入燃烧室前先穿过位于推力室壁内的冷却管道而实现气化，随后借助一个内置火花点火器，巧妙地启动混合燃料的燃烧。在此基础上进行的点火试验也很成功。

下一步的努力方向是对甲烷发动机作进一步改进，让它能自行冷却，不会过热，从而延长发动机的工作时间。要把这种发动机安装在火箭上安全地使用，研究人员还有很长的路要走。而这些困难比起太空中丰富的甲烷资源来说是微不足道的。未来的太阳系空间将成为甲烷火箭发动机的天下，莫哈韦沙漠中的蓝色火焰将是它征服太空的第一步。P7-12