核裂變火箭
六十多年來，科學家們壹直在研究核裂變。幾十年前，他們利用核裂變原理制造原子彈和可控核反應堆。
勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的研究人員在喬治·查普林的領導下，設計了壹個帶有可控高速粒子的概念性裂變碎片反應堆。反應堆類似於壹大堆“記錄”。“記錄”的主體是用帶有放射性的核燃料(如鈈和鎇)的石墨制成的。工作時，“記錄”旋轉進入圓柱形的塔內，與塔內其他放射性物質接觸後，迅速發生可控的核裂變鏈式反應。附著在“記錄”反應堆上的強磁場將反應產生的裂變碎片捆綁在壹起，並向同壹個方向噴射。彈射產生的巨大反作用力可以將火箭推至極高的速度，即每秒654.38+0.8萬公裏，約為光速的6%。
為了使火箭以十分之壹光速，即每秒3萬公裏的速度飛行，弗裏斯比提出將兩枚裂變火箭堆疊起來，形成兩級核裂變火箭。火箭第二級將有效推動火箭(探測飛船)達到12%光速。經過六年漫長的星際旅行，我進入了人馬座阿爾法太陽系的類地行星軌道。如果我們要探索離地球更遠的星球，那麽宇航員在有生之年將永遠無法完成漫長的星際旅行。即使可以用更多的核裂變火箭來輔助飛行，也只能望洋興嘆。
鎇242不是自然界存在的元素，而是用中子轟擊鈈得到的放射性同位素。鎇242是核燃料最理想的同位素，因為它只需要達到裂變反應臨界狀態下鈾或鈈質量的1%就可以開始連續裂變。從鈾235、鈈239等傳統放射性燃料中不可能得到這樣的裂變碎片，因為它們都需要巨大的燃料棒來吸收裂變產物。
為了大大減輕航天器的重量，使其盡可能小，裂變火箭應該使用鎇242等核燃料，這種燃料可以產生高能高溫的裂變產物，可以用作推進劑。但是根據美國的說法
專家估計，前往比鄰星系統大約需要200萬噸鎇。但是，如果改用鈾或鈈，所需的燃料重量將更加驚人，這必然會增加探測器的體積和重量，使其非常龐大和不切實際。
核聚變火箭
弗裏斯比認為，由於核聚變是結合原子核而不是分裂原子核，因此火箭的發動機在獲取能量方面要比裂變發動機完美得多。聚變堆可以減少壹些不必要的輻射，此外，聚變堆可以很容易地獲得補充燃料。這是因為月球表面和木星大氣中有大量的燃料氘和氚。這意味著核聚變火箭可以作為交通工具在月球或太陽系木星上加油，然後繼續星際旅行。
但遺憾的是，經過幾十年的努力，科學家們還沒有造出能夠正常工作的核聚變反應堆。人類已經知道如何引爆氫彈(氫彈爆炸時發生核聚變)，但無法掌握控制技術。聚變平臺，如美國新澤西的國家球形環試驗設施(NSTX)和聯合歐洲環(JET)將氘和氚核限制在磁場中，並將其加熱到數百萬度。當原子核碰撞並結合時，就會釋放出能量。然而，目前這種實驗消耗的能量幾乎是它產生的能量的兩倍。
然而，弗裏斯比樂觀地認為，聚變技術不再遙遠。壹旦科學家掌握了可控核聚變，他們就會控制反應中產生的帶電粒子，讓它們從噴嘴中噴出。核聚變反應堆噴出的粒子可以使二級火箭的速度達到光速的12%。核聚變火箭推進的飛船類似於核裂變火箭推進的星際旅行，可以快速飛到最近的恒星系，但沒有更多的潛力可以挖掘。核聚變火箭也需要200萬噸左右的燃料，但它不需要厚厚的輻射防護層，這意味著使用這種動力的太空儀器要小得多。
反物質火箭
阿爾伯特·愛因斯坦著名的能量方程(e = mc2)表明物質是能量的集中形式。裂變和聚變反應只將1%的反應物質轉化為能量。然而實際上，有壹種方法可以讓物質和能量的轉化率接近100%，那就是把物質和它的鏡像“雙胞胎”兄弟——反物質結合起來。物理學家在接近光速的基本粒子劇烈碰撞後，獲得了少量的反物質。瑞士CERN高能物理實驗室的科學家最近“捕獲”了1萬個反氫原子。需要註意的是，反物質將是星際旅行火箭的重要燃料。但是，要獲得星際旅行火箭所需的大量反物質，可能是不可思議的。但弗裏斯比說:這是壹種相當直接的方式。我們已經有了產生反物質所需的磁場、輻射器和粒子束。
在反物質火箭中，壹定量的反氫原子和等量的氫原子在燃燒室中混合“燃燒”。如果每邊的重量都是半磅，組合湮滅時產生的能量將大於10兆噸氫彈釋放的能量，並伴隨π介子和μ介子粒子流。與裂變火箭類似，粒子被束縛，從噴口噴出，噴出速度會達到光速的三分之壹，這樣火箭的最大速度會達到光速的66%。
兩級反物質火箭飛到阿爾法人馬座恒星系需要90萬噸燃料。在更長距離的星際旅行中，使用四級(兩級加速，兩級減速)火箭，可以讓反物質火箭發揮優勢。根據弗裏斯比的計算，飛到距離地球465，438+0光年的天蠍座55星需要3800萬噸燃料和65，438+0年。使用裂變火箭，同樣的航程需要400年。
有新的力量走出太陽系。
星際旅行的最佳方式將是放棄使用大量燃料來推進航天器。
過去人類發射的水星探測器，已經完成的阿波羅登月計劃，以及現在使用的航天飛機，都暴露出了火箭推進的缺點:攜帶大量燃料使得航天器體積龐大，效率低下，因為火箭產生的大量動力都花在了攜帶燃料上。這種原始的推進方式仍然可以用於發射人造衛星和登月，但在星際旅行中，工程師們認為有必要找到更輕、更靈活和更快的推進系統，以使航天器速度接近光速。目前，這種新型推進系統有兩種，其中壹種即將進行試驗；另壹個，像阿爾法人馬座，仍然離我們很遠。
激光帆
1984年，美國休斯飛機公司研究實驗室的物理學家羅伯特·福沃德(Robert Forward)在其裏程碑式的論文中提出了利用古風帆技術進行星際旅行的設想。就像強風可以讓帆船穿越海洋壹樣，強大的激光束也可以推動帶著大帆的宇宙飛船遨遊太空。激光束擊中船帆後，轉化為動力，推動飛船前進。科學家設想利用太陽系中的激光為飛船提供動力，使其逐漸加速，奔向遙遠的世界。
到目前為止，工程師們已經開發出了壹種簡單的太空帆船，但它使用太陽能而不是激光束來提供動力。在接下來的幾個月裏，行星協會(壹個太空愛好者的私人組織)計劃推出它的第壹艘太陽能帆船。這艘“帆船”被命名為Cosmos 1，重50磅，其鍍鋁“帆”寬100英尺。帆船計劃於2005年由潛艇從北冰洋巴倫支海下水。離開大氣層後，陽光會將其推入更高的軌道。
太陽帆的工作原理是帆反射來自它的太陽光(光子)。因為力是相互的，當太陽帆把光子“推”回去的時候，光子也會反作用於太陽帆。正是這種反作用力推動飛船前進。美國國家航空航天局噴氣推進實驗室太陽能帆船負責人Hopi Price認為，這種無需燃料的推進方式將開辟壹種星際旅行的新方式。但由於太陽光隨著距離的增加而減弱，太陽“帆船”遠離太陽後將無法前進。
與太陽光相比，聚焦的激光束可以將“帆船”推向阿爾法人馬座恒星系甚至更遠，因為激光束不會像太陽光壹樣隨著距離的增加而發散和減弱。根據Forward的想法，Frisbie向55星的天蠍星描述了人類的旅行計劃。他用600英裏寬的鋁膜“帆”來推進飛船，旅行艙位於“帆”的中間。豎立在地球軌道或月球表面的激光器產生的高能激光束，通過壹面鏡子聚焦在飛船的“風帆”上，推動飛船。激光將工作數年，以確保航天器達到其巡航速度。然後在飛船到達目的地前幾年重啟工作，幫助飛船減速。
鋁的熔點是65，438+0，220華氏度。弗裏斯比提出了大尺寸帆的想法，以解決帆本身的散熱問題，而帆的過熱是由壹束高能激光束造成的。如果妳計劃在太空中組裝飛船“航行”，妳應該使用更輕和更有彈性的材料。美國國家航空航天局·格倫研究中心的傑弗裏·蘭迪斯正在研究由鈮(熔點為4490華氏度)或鉆石(在3270華氏度時分解成石墨)制成的薄膜。高溫材料可以承受光斑更小但能量密度更高的激光束的照射。鉆石“帆”與弗裏斯比的鋁制“帆”功能相同，但它使航天器加速更快，縮短了星際旅行的時間。
如果用激光束幫助人類飛向天蠍座55，激光的輸出功率將是不可思議的。根據弗裏斯比的估計，推進飛船所需的激光穩定能量輸出應該達到17000萬億瓦。為了實現如此巨大的能量輸出，弗裏斯比提出用壹種特殊的裝置來集中太陽能來泵浦激光，也就是說，激光在太陽的作用下產生壹束會聚的、相幹的高能光束。事實上，美國芝加哥大學的物理學家已經展示了壹種新的系統，可以將普通光的密度增加84000倍。
如果掌握了激光帆技術，那麽人類就再也不用擔心長途飛行的燃料問題了。此外，通過巧妙的設計，當飛船到達目的地時，帶有旅行模塊的“風帆”中間部分將與“風帆”分離，沒有中間部分的“風帆”將激光束聚焦在旅行模塊上，幫助其減速。根據弗裏斯比的研究，激光帆飛船的速度可以在不到10年的時間內達到光速的壹半。如果使用直徑為200英裏的激光帆，我們可以在12.5年內到達阿爾法人馬座。憑借600英裏寬的激光帆，只需要86年就能與天蠍座55中的類地行星相遇。
聚變沖壓噴氣發動機
理想的飛船應該兼具激光帆和火箭的優點，這樣宇航員就可以控制它隨意飛行，同時也不用考慮運載和加油的問題。
在1960中，物理學家羅伯特·布薩爾提出的技術思想可以滿足如此苛刻的要求。他稱他的技術為聚變沖壓發動機。發動機使用強力磁鐵形成壹個直徑巨大的磁漏鬥。磁漏鬥的作用是在星際旅行過程中收集沿途的氫氣，作為航天器核聚變反應堆的燃料。無燃料負載的航天器可以在聚變沖壓發動機的推動下，以接近光速的速度在宇宙中自由穿梭。
弗裏斯比對聚變沖壓發動機的技術非常謹慎，認為這個概念還不成熟。此外，當使用這種技術的航天器速度小於光速的4%時，情況相當於聚變火箭。速度進壹步提高後，飛船的磁漏鬥可以為反應堆提供足夠的燃料。弗裏斯比的結論是，裝有聚變沖壓發動機的航天器分別需要25年和90年才能飛到人馬座阿爾法星和天蠍座55星。
聚變沖壓發動機航天器有兩個明顯的問題。其中壹個問題是，聚變燃料在飛船前方的堆積會產生阻力，使飛船的速度變慢。在恒星密度較高的區域，航天器可能會因摩擦而接近停滯。事實上，航天工程師羅伯特·朱布林(Robert Jublin)曾建議使用類似的磁場作為星際旅行飛船的制動器，不僅可以使飛船減速，還可以節省燃料。第二個問題是聚變試驗反應中使用的氘和氚在太空中非常稀少。普通氫氣雖然含量高，但沒人知道怎麽讓它反應。
需要說明的是，雖然人類星際旅行最重要的是解決交通問題，但根據弗裏斯比的描述，我們似乎看到了人類走出太陽系的希望。然而，人類征服宇宙還有很長的路要走。在這條漫長的道路上還有很多問題，比如宇航員的生存和生活。在40多年的飛行中，他們的食物，氧氣和水，以及他們的心理健康，都需要仔細研究。
願人類早日實現星際旅行的夢想。