星際旅行是異想天開嗎（星際旅行時代我們怎麼辦）

2023-06-26 09:09:31

旅行，是人類的天性。每一個大技術變革時代，總會帶來交通工具的巨大更新，讓人的腳步得以更快延展。航海，航空，一直到如今的航天時代，是輪船、飛機和載人飛船讓人類身體從地表延伸到了太空。尤其是載人飛船和與它配套的運載火箭等技術的出現，讓人類的工業文明，有了挑戰地球重力的能力：從一倍重力到零重力的突破，這是個了不起的成就。

如今的大航天時代，如果有星際旅行的機會，你做好準備了麼？

一、星際旅行：航天時代的奢侈未來

任何技術路徑都有它固有的發展歷程，受限於基礎知識、工程能力、資源投入和發展戰略等諸多因素，航天技術的提升也是個循序漸進的過程。例如，目前對於最為核心的運載火箭和載人飛船推進系統，人類依然只能依賴化學物質的能量，很難將其進一步突破到成熟應用原子能、電能等高效能源。即便如此，這些技術投入已然需要大量的人力、物力和資金等資源持續不斷的投入，是只有大國才支撐得起的「工業文明之冠」。自從1961年4月12日蘇聯太空人加加林進入太空以來，能獨立進行載人航天的國家，不過蘇聯/俄羅斯、美國和中國而已。

因此，過去60多年來，航天科技基本在實現工程和技術能力方面的突破，延展人類的「航天科技樹」。一旦通過巨大投入實現了某方面突破，由於投入產出比的失衡，反而並沒有想像中的「星辰大海時代立即到來」，而是把有限的資源投入到其他研究領域，實現更多突破。1969年人類踏上月球，當時的科學家都在野心勃勃地規劃載人火星探索之旅，誰能想到50多年後我們竟然還在地球上制定重返月球的規劃呢？

星際旅行，意味著地月系統、乃至整個太陽系的開發已經到了一定高度，載人航天技術已經非常成熟，大型的星際旅行太空飛行器變得穩定、高效且廉價，能允許懷有夢想的普通人也能參與。對於目前這個航天時代而言，它依然是極度奢侈的事情。

SpaceX在發展中的星際旅行飛船「星艦」（圖源：SpaceX）

不過，進入21世紀以來，航天技術的發展有了一定轉機，也讓我們看到了未來的曙光。隨著載人航天技術的日趨成熟，一批嶄新的商業載人航天勢力開始逐漸崛起。不同於傳統「國家隊」航天依賴於國家層面的政策規劃和資金人力投入，以盈利為目的商業航天天然能吸引更多社會資源，也具有更高的社會關注度。由於自身屬性，商業航天也擁有更強的失敗容忍能力，勇於靈活運用甚至自由探索更多新的技術，最終目的是實現成熟穩定的商業模式，從最多的消費者手中賺到最多的錢。商業化的目的簡單直接，卻能推動整個人類航天時代的進一步發展。

商業航天的技術迭代和發展速度是驚人的。以SpaceX（太空探索科技公司）、藍色起源、維珍銀河為代表的商業航天勢力，在資本市場助力下，吸引了大批的人才，獲得了大量的社會關注，也自然實現了技術的快速迭代。僅在2021年7月，就有8名平民乘坐藍色起源和維珍銀河各自的首次正式載人任務，突破了象徵大氣層邊界的「卡門線」進入太空。他們的年齡從18歲到82歲不等，既有世界首富，也有退休在家的老人，大家都能夠實現一次太空之旅。

SpaceX的發展更是亮眼。火箭回收復用、空間站貨運飛船、空間站載人飛船、全球星鏈衛星系統等一系列讓人眼花繚亂的技術突破後，星艦也成為目前世界範圍內航天勢力的「超新星」。它不僅在能力方面是航天史上已有和在研太空飛行器中運力最強的，還能做到全艦可復用、在軌推進劑加注、深空探測能力、可載人、地外天體著陸能力。單次載人可以達到100人，遠超人類已有太空飛行器的3-7人運載能力上限。最重要的，按照SpaceX野心勃勃的計劃，未來星艦單次發射成本可以低廉到數百萬美元，真正能做到星際旅行。

帶有大型助推器（火箭一級）的星艦已經吊裝完畢（圖源：SpaceX）

如今，100多米高的星艦已經豎立在發射場進行綜合測試，或許年內將進行首次入軌試驗飛行。誰能想到，這距離它的首次原型機成功飛行測試僅過去了兩年時間。或許，未來的星際旅行時代，真要靠這一批商業航天勢力引領。

二、旅行不易：複雜的引力環境和探測窗口

離開地球引力的束縛後，星際旅行並非一個自由的世界。太陽系中的恆星和行星引力攝動環境，會輕易讓你意識到人類能力的渺小。地球很大，它用強大的萬有引力統治了從地表到150萬千米外的日地引力平衡拉格朗日點（引力的理論影響範圍是無限遠），人類最輝煌的時刻也僅是踏上38萬千米外的月球。而逃離地月系統後，就將是更加複雜的引力世界，既有是地球質量30多萬倍的太陽引力，也有木星、土星等巨行星帶來的引力攝動，甚至連太陽光照射到飛船上造成的光壓，都需要詳細考慮了，這會對星際旅行飛船的軌道產生很大影響。

舉個最簡單、也是航天領域最經典的三體問題：當三個物體在引力作用下自由移動時，它們的軌道就完全無法預測，沒有準確模型能夠描述，只能不斷給出限定和假設，嘗試通過各種數值法去逼近。這就是著名的「三體問題無解」。而實際上，太陽系內有各種天體帶來挑戰，例如恆星、行星、矮行星、衛星、小行星、彗星、空間碎片、星際分子雲、甚至人類尚未發現的天體等，這種環境下飛船必須進行頻繁的軌道修正和深空機動。

星際旅行也無法實現科幻電影中的發動機啟動後便「直來直去」，真實的旅行必須依賴探測窗口期，這主要是太陽系內天體的相對位置導致的。按照天文學家克卜勒總結行星運動得到的三大定律：行星距離太陽越遠，運動速度就會越慢，環繞一周的距離也會越長，最終環繞太陽的軌道周期越長。以地球和火星對比為例，地球公轉約365天，火星約687天，且它們的軌道均不是正圓形。這意味著地球和火星之間的距離在時刻變化，從5500萬到4億千米不等。

地球和火星的軌道周期、會合周期示意圖

從地球的視角來看，每隔大約780天（約26個月）就會和火星最接近一次，叫做會合周期。從幾何角度解釋也容易理解：假設二者都是純圓軌道，在780天內地球運行了2周49度角，火星運動了1周49度角。好比是操場中兩個人跑步，內圈跑得比較快的那個人，套了外側比較慢的那個人1圈，二者再次會合。如果利用這個窗口期，在二者會合發生前數月提前發射火星探測器，就會最大程度降低對運載火箭的能力要求，提高任務成功率。目前人類的火星探測基本都遵循這個原則選擇發射機會。對於未來去火星的旅行航班，毫無疑問也要遵循這個規律，因為在可以預見的未來，人類尚無法有效突破化學能的限制，無法讓科幻電影裡的飛船成真。

同樣的道理，對於探測地球的另一個鄰居金星而言，會合周期約為584天，60-80年代人類探測金星浪潮期間，近40個探測任務就是遵循這個規律尋找最佳發射窗口。對於更遠的旅程，情況就比較複雜了。例如，水星是距離太陽最近的行星，僅88天就圍繞太陽一周。儘管它和地球之間隔著金星，卻是最常和地球見面（距離更近）的鄰居。理論上講，地球與水星的會合周期為116天，可以經常探測，但實際情況並不這麼簡單。

水星、金星、火星與地球距離示意，大部分時間內距離地球最近的是水星

水星太靠近太陽，探測器會受到太陽引力和輻射的巨大幹擾。且水星質量很小，引力主導半徑也被太陽引力壓縮到僅為17萬千米。這對於高速衝進太陽系內部的探測器而言，直接制動剎車和被引力俘獲難度極大，必須利用金星和地球的引力反覆改變速度大小和方向，直到達到理想狀態，整個過程持續數年。綜合考慮各個天體幾何關係和火箭發射能力，對水星的理想探測窗口間隔遠超116天，往往數年才一次好機會。

木星和土星探測亦是如此。理論上地球和它們的會合周期較短，分別為399天（木星）和378天（土星），幾乎每年都可以探測。但它們已經屬於太陽系外圍行星，環繞太陽平均軌道半徑達到7.8億千米（木星）和14.4億千米（土星），這意味著探測器需要跨過漫長的太陽系空間、持續數年才能抵達。

在實際情況下，對木星和土星的探測任務很大很重，依然需要藉助地球、木星甚至金星的引力助推，才能最大限度降低對火箭要求，實現既定目標。以人類史上唯一的土星環繞探測器卡西尼號為例，它在發射後第一站並非向太陽系外，而是向內飛向金星並連續進行兩次金星引力助推，再連續通過地球和木星引力助推最終飛抵土星。整個飛行時間長達7年，才確保卡西尼號在抵達土星後有足夠能力繼續工作了13年之久，極大擴展了人類對土星的認知。

對於太陽系內更外圍的天王星、海王星、冥王星和柯伊伯帶天體等，那裡的太陽能已經微弱到無法用來給探測器供能，導致探測和旅行的難度進一步增加。人類甚至尚沒有足夠能力發射能夠環繞它們的探測器，而僅能從遠處飛掠。即便如此，這些「驚鴻一瞥」的任務已經造價不菲。例如，人類唯一飛掠冥王星的新視野號探測器花費就超過了8億美元，但它只探測了冥王星和一顆太陽系邊緣的小天體「天涯海角」，真正有效的觀測時間僅數天。

因而，儘管地球與這些外圍天體的會合周期極短（略多於1年），但距離和難度成為人類現今運載火箭技術難以跨越的天塹，對它們的探測極度低頻。人類進入航天時代以來，僅有1977年發射的旅行者二號飛掠了木星、土星、天王星和海王星這四大太陽系外圍行星，它在飛行過程中通過木星、土星、天王星等連續引力助推才能實現目標。這意味著它必須找到這些遙遠天體的最佳幾何關係，完成每一步精準借力。而這種完美的幾何關係，僅約165年才發生一次，成為很多人一生都無法等到的時機。

去太陽系外圍行星甚至太陽系邊界完成一次旅行的代價更是可想而知。人類面對強大的太陽引力桎梏，依然顯得渺小脆弱。

三、星際旅客：你真的做好準備了麼？

人類這種動物，從「設計之初」就是為適應地球上1G重力、1倍大氣壓、適宜的溫度、充分的水、生物能量來源等條件而生的。然而，進入空無一物的太空之後，這所有的條件都消失了，人類需要解決每一個新出現的問題。隨著人類載人太空飛行器技術的快速進步，滿足人類短期使用的水、空氣、溫度、食物環境已經可以實現，在通過頻繁補給的情況下，也能實現長達20年的國際空間站級別生命維持系統。然而，失重環境依然難以克服，所謂科幻電影裡的通過旋轉或機械擺臂等方式人造重力依然是遙不可及的工程高度。失重，依然是未來星際旅行中的一大挑戰。

進入太空後，首先的挑戰就是空間適應綜合症。由於沒有重力所有東西都會漂浮，人類也不例外，這導致人類無法區分上下前後左右東西南北，前庭系統和腦部相關神經就會出現紊亂，一個表現就是無法抑制的暈車暈船般噁心感。即便能夠克服這些生理反應，但大腦卻會持續認為自己處於完全失控的失重狀態，需要很長時間適應。

經過長期待在太空後，由於缺乏重力的影響，身體的負重大幅降低，人類身體會本能認為消耗大量能量的肌肉用處不大，進而肌肉緩慢萎縮。此外，骨骼裡的重要組成物質也會不斷流失。不僅如此，曾經有太空人採訪時透露進入太空後腳部會大量脫皮。沒有重力和走路壓迫，角質和硬質皮膚掉落並不奇怪。在地球表面時，體液在重力作用下會更多集中下身體下部，但到了太空一切都不一樣，這些體液更傾向於均勻分布在全身，這種體液變化對人體的影響也會較大。尤其是對心腦血管，腦顱內的壓力會增加很多。眼球的壓力也會增大，視力會受到影響，味覺和嗅覺系統也會受到很大幹擾。體液循環和血液循環都需要身體長期調整才能適應這個變化。

目前的載人航天任務普遍是半年為最長周期，應對這些身體挑戰的方式是儘可能在太空中利用輔助器械多多運動，讓身體不至於變化太快。但儘管如此，太空人從太空返回時依然顯得猶如「玻璃人」一樣，骨骼脆弱、肌肉無力、循環系統需要重新適應地球環境，因此必須要被工作人員像「八抬大轎」一樣抬出來。現有的航天記錄是蘇聯太空人Valeri Polyakov曾在一次任務中在太空待了438天，這個挑戰可想而知。

載人飛船是個與地球完全不同的環境：狹小的生活空間，不可避免的噪聲和振動，常年不變的「天氣」，不斷單調重複的每天生活，失重狀態會對人的內分泌有一定影響。這些因素對於長期參與星際旅行的人類心理，也是巨大的挑戰。人類，或許會不可避免地出現心理問題。這既包括個人的煩躁、孤獨與抑鬱，也包括人類的基本需求無法滿足（比如美食美酒、家庭人倫）帶來的失落感。在這種情況下，比起星際旅程帶來的快樂，或許旅客們更需要對抗潛在的心理問題。

在未來的長期星際旅行中，時間周期可能遠遠長於地球上一次載人航天之旅。例如一次火星之旅就需要耗時約三年時間，且一旦出發就沒有了「回頭路」，更不可能中途放棄返程，而必須按照引力和探測窗口的束縛走完全程。期間面對的諸多挑戰，都需要逐個克服。可以說，為實現這個目的，人類目前還需要很多工作要做。

人類，是地球50多億年來孕育出的最不可思議物種。不同於其他物種只能把痕跡留在地底形成石油、煤炭和化石，人類把存在的痕跡正努力送入更廣袤的太空。人類給地球創造了數以萬計的人造衛星，給地球唯一的天然衛星月球也送去了幾十位探測使者。在五大行星，都有人類探測的永久標記。甚至還有五個探測器，它們正飛在永遠離開太陽系的旅途中。擁有衝出地球搖籃、邁入星辰大海的夢想，是人類最值得自豪的特點。

未來的星際旅行時代，幾乎是人類發展的必然，但是仍需要我們進行大量努力解決一系列問題。你，真的準備好了麼？