《流浪地球》中的航天知识解析

徐大富

2019年春节档最火爆的电影非《流浪地球》莫属，票房已经突破40亿，这部中国科幻电影里程碑式作品改编自刘慈欣的同名小说，为了打造中国第一部真正的硬科幻电影，可以看出创作团队对相关航天技术方面做了大量功课，整部电影中有着丰富的场景展现。对于我等一众从事航天科研的理工男女来说，和电影的酷炫场景一样激动人心的是：看完电影我们终于有机会从专业的角度，向家人和朋友科普行星发动机、空间站和引力弹弓等航天知识。

行星发动机为啥是核动力的？

电影中，为了驱动地球逃离太阳系、踏上寻找新落脚点的流浪之旅，人类在地球上建造了一万座行星发动机。发动机利用真空岩石重核聚变作为动力源，具体来说就是利用硅元素进行核聚变反应，获得高温高压等离子流，高能等离子流通过定向喷射的反作用力推动地球前进。行星发动机为啥采用核动力？航天飞行中使用的发动机有化学推进、电推进、脉冲爆震、核动力（核热推进、核聚变推进）等多种形式，更科幻的还有反物质推进等概念。对于发动机，推力和比冲是两个重要的参数，使用最多的化学推进推力比较大、比冲相对较低，这就导致航天器需要携带大量推进剂，比重甚至占到总重的90%以上，不适合长航时的星际飞行。目前常見的化学推进中比冲最高的是液氢液氧发动机，美国的RL-10B发动机真空比冲可以达到466.8s。星际飞行需要大比冲的推进方式，电推进虽然比冲较大（1200～3000s），但是推力量级仍然在1N以下、不足以推动大型航天器，同时具有大推力、大比冲的核推进是未来较为理想的动力模式。核动力主要包含核热推进和核聚变推进两种，核热推进是利用核裂变的热能将工质加热到很高的温度，然后通过收缩扩张喷管加速到超音流而产生推力的火箭发动机系统。美国的NERVA型核热发动机和俄罗斯的RD -0410型核热发动机都做出了试验样机，进行了除飞行试验之外的大量试验。核聚变推进原理是两个轻核聚合在一起，由于生成核的质量比原始两核子的质量小而释放出的能量，核聚变理想的燃料是氘一氦3或者氘一氚组合，发动机比冲可以高达5000s甚至10000s以上。电影中使用硅而不使用氘、氚、氦3，主要是来源于岩石的硅原料制备难度远远低于后三者。

空间站为啥是摩天轮形的？

电影中的“领航员”空间站是一个摩天轮形状、围绕中心自转的构型，与现实中的空间站差别比较大，受限于现有的技术水平和空间运输能力，现有的空间站都是核心舱连接另外几个舱段，串联和并联形成“十”字型构型。摩天轮式的空间站在科幻电影中经常出现，它的主要优点是通过旋转离心力创造出“人工重力”，减少长期失重对宇航员健康造成的不利影响。冯·布劳恩很早就提出过这种想法，设计了一个直径76米、转速为3转每分钟的航天器，能提供人造重力约为地球重力的1/3。NASA前几年进行过一项名为“鹦鹉螺”的概念研究，设计了一个带有轮型的离心重力舱，可供宇航员星际旅行时居住。

引力弹弓是咋回事？

引力弹弓是航天器飞行过程中借助于较大天体的引力实现改变速度方向和大小的一种灵活的、不消耗推进剂的方式。到目前为止，人类发射的所有深空探测器都利用过行星引力进行飞行。当年的旅行者一号、二号就借助了木星的引力弹弓，获得了极高的速度飞向目标轨道。正如电影中所说，地球接近木星时，木星引力会使地球加速，然后向掷铁饼那样甩出去，从而获得速度增量。当然，地球的速度不能太小、距离也不能太近，否则有被木星捕获成为其卫星、甚至直接撞击的可能。引力弹弓效应在现实中真的参与过“救援行动”，阿波罗13号登月任务中，飞船前往月球途中发生意外爆炸导致氧气泄漏，三名宇航员不得不进行紧急撤离。救援方案是进入地月自由返回轨道，巧妙利用月球的引力弹弓效应，完成转弯并返回地球，走出了一个“8”字型轨迹，最终成功返回地球。