第一节 宇航潜在需要

　　电磁推进宇航动力是一个全新的构想，尽管目前还很不成熟，但人们在不久的将来会注意到，在交通运输方面，这是继蒸气机、内燃机、喷气式发动机之后的又一能够改变人类历史进程的构想。下面试从几方面讨论提出这一构想的必要性。

　　一、宇航速度要求

　　目前航天领域的动力发动机都是热化学发动机，根据推进济的不同可分为液体推进济发动机和固体推进济发动机。推进原理都是利用介质反冲力为宇航提供动力。采用这种动力最终能够达到的速度由下式决定：

  ⑤

其中 是火箭的级数， 是喷射速度（排气速度）， 是质量比，即起飞质量与负载、外壳等结构总质量之比。

    据我所知，人们利用这种动力已经获得大约二十千米每秒的宇航速度。榨听起来，这速度似乎很惊人，要到100千米以外的地方只须5秒！然而，以这个速度航天或宇航却并不见得快：探访月球，需要5小时17分；探访火星，需要45天。注意这是用最短路程除以速度得到的纯理论数字，实际探访中，由于星体引力和星体运动的存在，我们不得不走更多的路程，阿波罗号用了四五天时间才能在月球上安全着陆，人们估计以目前人类的宇航能力，到火星单程至少也要9个月时间！

    如果说这些时间人们还有耐心等待的话，那么探访其它恒星，或探访河外星系，人们就再也没有这份耐心了。最近的非太阳恒星离我们4.3光年，即使以每秒100千米的速度航行，也需要10000多年！如此漫长的时间，莫说人的寿命有限，没有足够的能量提供，就算这些问题都奇迹般地解决了，探测到的信息也早已丧失了意义。（1972年发射的“先锋10号”大约于公元8000000年到达金牛座。）至于河外星系，探访所需的时间就更加漫长了。所以明显地，宇宙是如此之辽阔，以致我们不得不认真地考虑提高宇航速度的有效途径。

    根据 ⑤ 式，可以从 、 、 三个方面着手考虑提高宇航速度的途径。

    （1）增多火箭的级数

    至今人们研制的多级火箭普遍是二级、三级、四级，当某级燃烧完毕，其下一级点燃继续提供动力，这样可以得到更高的速度。据我所知，地球上还未出现五级或级数更多的火箭，这是因为，级数越多，结构越复杂，越难控制，工作可靠性会明显降低。

    （2）提高质量比

　　质量比是指起宇航器起飞时总质量与负载、外壳质量之比。质量比目前已经达到10。提高质量比可分为两种途径： ① 减小外壳质量。目前材料工艺已经发展到了比较高的程度，要继续提高航天方面材料的工作性能存在着很大的困难，而在同等金属材料的条件下，减小外壳质量，就必然降低火箭工作的可靠性，甚至会出现爆炸等事故。这不是我们所期望的。 ② 增加燃料或者减少负载。燃料的增加是有限的，减少负载就意味着增加投资、降低航天活动的效益性，如果一枚火箭起飞质量一万吨，其有效负载只有一千克，即使得到的速度达到五百千米每秒，我们也不可能满意。所以说，用提高质量比来提高宇航速度这条途径也是行不通的。

　　（3）提高喷射速度

    喷射速度正比于 ，误差不超过 ，这里 是绝对温度， 是平均分子量。提高绝对温度和减小分子量都可以提高喷射速度，但分子量的减小是有限的，依靠化学反应提供的热量所能达到的温度也是有限的，所以热化学火箭发动机的喷射速度有个极限值，即4.5—5千米/秒。固体推进济的排气速度不能超过3—3.5千米/秒，由液氢加液氧组成的推进剂可以提供4.2千米/秒的喷射速度，如果用液氟代替液氧，可以使喷射速度达到4.5千米/秒，但液氟的腐蚀性和毒性很强，使用极为困难。

　　取热化学发动机各种参数的极限值 ， 千米/秒， ，由 ⑤ 式可以计得理论上得到的宇航速度 千米/秒。请注意，这是未考虑地球引力、空气阻力影响的纯理论数值，如果考虑了，实际得到的速度肯定要小一些。但即使如此，47.958千米/秒也只有20千米/秒的2.3倍，如果运动在以光年为单位的星球之间，确确实实很慢，明眼人不难看出，如果要有效提高宇航速度，热化学发动机必须被取缔。

　　事实上已经有不少人看到了热化学发动机的发展局限，纷纷提出各种可能的改进方法，例如有人提出核动力火箭。现在让我们讨论一下这一理论的可行性。核反应的确能够达到很高的温度，从而提高喷射速度（比如铀裂变反应就能使喷射速度达到13000千米/秒），但我们不要忘记核反应的危险性，为了保证高温下飞船不致于被熔化，宇航员不被强大的放射线伤害，必须把飞船做得十分笨重，而这对于飞行类却是致命的，它决定着核动力火箭不可能具有发展前景。此外，核动力火箭的核污染问题也是令人“听”而生畏的。

　　也有人提出以反物质或核聚变提供能量的光子火箭，通过向后发射光子使飞船获得动力，理论上如果有足够的能量，不难达到接近光速，问题就是这能量究竟从何而来。由于推力正比于喷射速度，消耗的能量却正比于喷射速度的平方，提高喷射速度意味着为了得到同样大小的推力，消耗的能量明显地增大。要发射光子，如果把光子的动量记作 ，那么光子携走的能量便是 （比 还要大一倍），这是十分巨大的。如果有兴趣，你可以计算一下，以发射光子产生目前人们制造的火箭同样大小的推力所需损耗的能量，包保你目瞪口呆，而且我敢打赌，被火箭光子束照射的一切物体都会在瞬间内变为气体或等离子体。

反物质与正物质湮灭能够提供能量？好！我们不能从自然界中获得反物质，它从哪里来？制造？能量呢？

    吸收宇宙中的氢，热核反应提供能量？请不要忘记，宇宙空间中物质密度比人类用最先进的机器达到的真空还要小1000 倍以上，用来吮吸星际气体的表面必须在700千米半径以上。（宠然大物乎？）而且，怎样才能维持核聚变持续地进行呢？

    相比于没有任何发展可能的核动力火箭和光子火箭，微波动力飞机是我赞赏的。这种飞机有个十分特出的优点，就是它不需携带燃料，通过吸收地面基地发射来的微波能量保持着活动状态，甚至能够永不停止地在空中运动。只可惜，尽管这种飞机勇敢地抛弃了热化学发动机等携带燃料的沉重包袱，但它的革命性还是不够，没有革命性地解决动量问题，它需要空气提供动量，或者说提供力，所以它只能在空气中运动。如果你是一位细心的读者，也许会发现，本章提出的电磁推进宇航动力构想，其优越性在于借助无形磁棒，革命性地同时解决能量和动量问题，使得碟形飞行器不需要携带燃料，也不需要喷射物质。

    二、效益、环保、安全方面的要求

    目前航天活动对人类科学文化事业作出了巨大的贡献，这是无容置疑的，但花费大也是众所周知的。就说美国“阿波罗”登月计划吧。这个计划的成功在人类发展史上可以说起着划时代的意义，但它却花掉了250亿美元！！美国许多人提出抗议：“用来登月的费用，足够地球上3100万贫苦人民免于饥饿。”

    看到了吧。我们渴望着航天活动的成功和发展，但我们却诚意期待着能节约一大笔经费。现代航天活动需要携带大量的燃料，使得有效载荷只占起飞质量的 （发射低轨道卫星），或者 （发射同步卫星），而且经常要丢弃一些贵重的垃圾，如火箭外壳、副油箱、登月舱之类，这些大大地加重了航天活动的花费，严重影响了航天活动的效益性。电磁推进宇航动力构想不必携带燃料，不必丢弃任何贵重垃圾，进行航天活动就象开车出去兜风一样简单，所以它的出现可望明显地改善航天活动的效益性。

    目前航天活动对自然环境的污染和破坏虽然不是很多人知道，但这一问题也应该引起人们应有的关注。据介绍：常用固体燃料由 左右粉状铝， 左右的氧化剂氯酸铵，和一些碳氢聚合物、少量催化剂氧化铁组成。反应生成物主要是氯化氢、氧化铝。氯化氢形成盐酸烟雾，一部分三氧化二铝在盐酸烟雾的作用下转化为氯化铝，对人的呼吸道粘膜是有毒的刺激物。为减少噪声、振动而用的冲刷反射坑的水在氯化氢的作用下，使附近的树木变黄，鱼类死亡。氯化氢和氢氧基作用产生氯离子，破坏臭氧，在估算中，如果美国每年发射航天飞机9次，泰旦号火箭6次，则全球每年同温层氯气增加 ，臭氧层减少 ，而臭氧层减少 就会在10年内增加好几千名皮肤癌患者。液体燃料也会产生污染：氢气和氧气结合并非产生百分之百的水，其中产生一些氢氧基和原子氢，这也会起触煤作用破坏臭氧层。

    目前航天活动的安全性也是人们关注的问题。1971年，苏联11号宇宙飞船返回途中，不知什么原因，舱内气压阀门突然炸开，不到1分钟舱内空气全部泄漏，3名太空人窒息而死。1987年1月28日，美国“挑战者号”升空时发生爆炸，完整的座舱以300千米时速掉进太平洋，没有船只及时捞救，7名太空人全部遇难。这两起事故沉重地告诉人们：航天活动的安全性不容忽视。尽管今天航天活动已经日趋成熟，但火箭或者航天飞机的技术性实在太复杂了，例如“阿波罗”号有91台发动机，600万个组件，人们不得不为这样高度复杂的机器安全性感到忧心。据有关专家估计，目前航天飞机的可靠性大约为 ，如果每年发射11次，每三年损失一架的概率大约就有 。

    在电磁推进宇航动力构想中，除了磁场对外界的一定影响外，航天活动几乎不存在对环境的污染问题，至于安全性，由于大大地降低了动力控制的技术复杂性，使得有效地提高航天活动的安全性具有可能。也就是说，效益、环保、安全方面都要求电磁推进宇航动力构想早日被实现。

    三、能源方面要求

    近百年来，随着工业技术的迅速发展，人类消耗的碳氢化合物数量指数上升。如果按照目前的消耗速度计算，不用200年，全世界蕴藏的石油、煤、天然气等都将全部枯竭。石油素有“工业血液”之称，如果全部被消耗掉了，靠石油提供动力的汽车、飞机、轮船等都只能乖乖地休息，自言“兼颇老矣”。这就提出了用什么能量取代碳氢化合物的严重问题。

    淘气的读者会吼：火箭、航天飞机又不是吃碳氢化合物的，碳氢化合物完蛋了，关航天屁事。这就不对了，航天代表着交通运输的最高层次，如果汽车、飞机、轮船都不能动了，海陆空交通运输都已陷入瘫痪状态，火箭、航天飞机还能为人们做些什么事呢？难道可以用航天飞机把乘客送到菜市买菜？

    早些时候已经有人研制成功靠蓄电池提供动力的汽车，也有人研制成功靠吸收太阳能产生动力的汽车，靠燃烧氢产生动力的汽车，1998年1月在底特律举行的北美汽车国际汽车展上，也已经出现，人们期望这些新型汽车能够在燃烧汽油的汽车不能活动以后大干一番事业，可是这些新型汽车真的能够出色地履行这个重任吗？由于蓄电池储存能力的限制，为了提供足够功率和足够长时间的电能，蓄电池汽车必须载着笨重的蓄电池满街走，出于太阳能电池板面积的限制和阴雨气候的可能出现，太阳能汽车很难有足够的电能供使用，燃烧氢气的汽车为了提供足够多的能量，必须携带大量的液态氢、以及为了装这些高压氢而做得厚而重的气瓶，或者为了实现氢冷却而存在的仪器，而且我们特别注意到，氢气是最小的分子，很容易泄漏，一旦泄漏，即使是极其微量的泄漏，也会造成可怕的结果，所有这些，意味着蓄电池汽车、太阳能汽车、氢燃料汽车等，要满足人们日益增长的对时速和行程的需要，真正解决交通运输的能源问题，是十分困难的，至少它们并没有比传统汽车有明显的突破。

　　那么应该怎样解决碳氢化合物枯竭的疑难问题呢？──还是“无形磁棒”。从下一节内容中你可以知道，当技术成熟以后，无形磁棒利用电能不仅可以为用于航空、航天和宇航的碟形飞行器提供动力，而且还可以非常方便地用于海上、空中和地面的各种交通，为船只、汽车提供动力。

无形磁棒要为这么多交通运输工具提供动力，它需要的电能是相当巨大的。这又从何而来呢？出于种种原因，风能、水能、太阳能、核能、潮汐能都很难满足要求，唯一有足够能力满足无形磁棒需要的是“地热能”。地热能是相当巨大的。如果把地球上贮存的全部煤燃烧时放出的热量作标准，那么石油的贮存量约占煤的百分之三，目前可用的核燃料约为煤的百分之十五，而地热能的总量约为煤的一亿七千万倍，可见地热能完全有足够能量提供给产生无形磁棒。

    地热发电具有无污染、建后几乎不需要再投入就可以长久地得到电能等优点，许多国家纷纷建立地热发电站，到1987年为止，世界地热发电总功率已达145万千瓦。另据报道，1992年美国和墨西哥都在建造地热试验井，旨在将来建造发电厂输出相当于60个大核发电站的天然能源。指挥钻井工程的约翰·劳格说：“只要能够抽取相邻48 个熔岩的能量，就可以供美国目前消耗水平的1000年能源。”

    建设地热发电站的唯一缺点是钻井的初投资较大。实际上，我们可以选择地热丰富的地方建造（环太平洋带、地中海－喜马拉雅山带，甚至火山口附近），增大规模、钻深井，这样肯定可以提高每吨热水的发电量，降低地热发电站每千瓦的投资费用，从而使地热发电经济效益更为显著。（选择这些地域地热发电，还可以有效地降低火山、地震对人类的自然灾害。）

    图3-1是设想中的为无形磁棒服务的地热发电站侧截面示意图。AB 是热水出水孔，BC是吸热通道，它的深度和分布范围直接决定着地热发电厂的发电能力，所以它应该位于较深处（10千米以下）和分布得较广（有效面积达100千米 100千米），即 米 ）。我们知道，在大约30米深处常温层以下，地温随着深度增加而升高，15千米以内平均每深100米，温度升高 。可以计算得到，10千米下地温将达到 ，也就是说，在这个深度引用的热水温度达到 ，由于大大地提高了与冷却用水的温度差，地热发电厂的热效率必将大大地提高。从地热流和有效面积角度可以粗略估算发电厂的输出功率。平均地热流为 焦耳/米².秒，以 米²（100千米 100千米）有效面积计算，地热流总量将达到 万千瓦，如果发电热效率为 ，这个厂输出的的总功率大约能够达到 万千瓦。考虑到温度差导致地热流增大，输出电的总功率应该比以上计得的数字还要大一些。

    技术上，工质（煤质）要根据热水温度和冷却用水温度进行精心挑选，而且工质输送管要求绝热性能要好；工质吸收热水的热能要选择恰当的位置，可以利用温度高水的密度小、温度低水的密度大的特点，让热水自循环，只需用小功率的热水循环泵，甚至不需使用；冷却用水入水口应该安置于河的上游或者海的深处，反之出水口应该安置在河的下游或者海的浅处，这样可以使冷却用水能够自行流动，减小甚至避免冷却水水泵消耗的电能。当然，实际建造时涉及的技术问题是很多的，这里仅仅根据本人的理解说说而矣。

    四、气候治理方面的要求

　　我们生活在大气海洋里，时时刻刻受到大气各种状态的影响，比如气温、降雨和吹风。尽管人类科技发展几千年，许多领域都已经取得了可喜的成就，但在气候治理方面却依然显得软弱无力，最多只能发射几粒“糖衣弹”（干冰）洒几滴水用用，至于“呼风唤雨”、调节气温，还只能在神话或者设想中出现，许多无辜的人们在受到气候惩罚时只能显得无可奈何，他们或者因为干旱颗粒无收，或者因为寒潮庄稼全部被冻坏，或者因为暴风雨塌屋损财甚至丢掉性命。

　　1991年是我对恶劣气候认识最深刻的一年。这年年中，特大洪水袭击我国18个省，7200万亩耕地成灾，414.8万间房屋受到损坏，210.9 万间房屋被夷为平地，32227人受伤，1729条性命被洪水吞噬，总共损失高达398亿元。自然灾害在我家乡高州市还未停止，仅仅过了六七个月的1992年2月，强冷空气南下，据估计，茂名市全面种植的经济作物香蕉死亡率高达 以上。电视中令人惨不忍睹的灾情还在脑海中回旋，望着辽阔的全部被冻得枯死的香蕉树，心地善良的你会有何感想呢？记得当时的我感到十分沉闷，同时感到有种强烈的责任感涌向心头。正是因为这一感觉，以及每年在世界各地发生的风灾、雨灾、旱灾，促使我及早完成本章这一尚未成熟的构想。