在傳統的飛機或火箭中,為了產生推力,燃料要不斷燃燒。當速度增加,接近音速時,飛行器前方的空氣會壓縮,直到它產生衝擊波,我們在地面上聽到的就是音爆。更強大的噴氣發動機能夠推動衝擊波獲得更高的速度,但這是有限制的。在某一時刻,衝擊波的破壞遇到了引擎的推力,你撞到了一堵牆。為了跑得更快,你需要一個更好的引擎。
衝壓式噴氣機的工作原理是利用超音速時產生的衝擊波。特別建造的進氣道在工藝漏斗的前面,高壓和壓縮它甚至進一步。壓縮空氣進入燃燒室,與燃料混合,以超音速噴射出發動機後部,產生額外的推力。衝壓式噴氣機不能在亞音速速度下實現推力,相反,需要更傳統的方法來啟動。然而,一旦它們上升並移動,它們就非常高效,能夠獲得超過9馬赫(7000英里每小時)的速度。
如果你在地球的大氣層中,有足夠的空氣可以使用,這當然很好,但科學家和工程師想知道,是否可以使用類似的過程來驅動宇宙飛船,以實現相對論速度。
太空飛船不能從真空中收集空氣,但可以收集其他材料來提供推力。羅伯特·w·布薩德在1960年發表的一篇論文提出了一種星際衝壓式噴氣機,後來因保爾·安德森在1970年的小說《Tau Zero》中使用這種衝壓式噴氣機而聞名。
Bussard衝壓發動機不是收集空氣來產生推力,而是利用電場或磁場從接近真空的太空中收集並壓縮電離氫,並將其用作燃料。隨著飛船速度的加快,進入發動機的質子流也會增加,從而產生更大的推力。整個過程幾乎是自我維持的,這使得這樣的飛行器能夠以驚人的速度飛行。
在1968年,John F. Fishback發表了一篇論文,以Bussard最初的想法為基礎,提出了一種可能為星際衝壓發動機提供動力的磁勺。儘管衝壓式噴氣機在大氣層內取得了令人難以置信的進展,但自從Fishback的論文發表以來,直到現在,人們對類似的太空發動機的開發關注相對較少。
一篇新論文由彼得·Schattschneider從維也納科技大學和阿爾伯特·傑克遜衛系統,發表在《宇航學報》看努力的Bussard和米•希望最後確定一個星際衝壓噴氣發動機可以實際構建。遺憾的是,他們的發現表明,雖然物理學允許它們的創造,但它們需要的技術遠遠超過人類的能力。
因為氫離子在太空中的分佈很低——大約每立方厘米有一個原子——要想聚集足夠的能量來為聚變反應堆提供燃料,就需要磁圈,而作者們稱之為“荒謬的長”。根據實際情況,他們估計線圈的半徑大約需要2000公里。
此外,隨著推力的增加,將質子集中到反應堆內所需的線圈上的應變也會增加,直到它們達到斷裂點。儘管在接近真空的環境下工作,但張力的結果意味著加速度不能超過這一點。此外,發動機的加速度上限還受到線圈支撐材料選擇的限制。當我們考慮到支撐線圈所需的額外質量以及線圈本身的質量時,事情變得更加複雜。每一點質量必然會減小我們能夠獲得的加速度。
最後,這篇新論文發現,之前對星際衝壓噴氣機的估計過於樂觀,在距離約10光年的地方,將加速和可能的飛船時間限制在3年以內。當然,這是對當前技術的一種難以置信的改進,但實際上抹去了在人類一生中這樣的飛船可以旅行到銀河系中心的夢想。
不僅這項技術超出了我們目前的能力範圍,Schattschneider和Jackson還得出結論,建造一個執行中的星際衝壓發動機所需的工程能力甚至超過了卡爾達舍夫二級文明。
星際衝壓式噴氣機很可能在我們的未來出現,但這充其量是一個非常遙遠的未來。