太空战术指南（1）：太空无垠

“Space, the final frontier. These are the voyages of the starship Enterprise. Its five-year mission: to explore strange new worlds, to seek out new life and new civilizations, to boldly go where no man has gone before.”

—— Star Trek: The Original Series

太空，实在是“太空”了。它的广袤很难用简单的词句加以精确地描述。对于人类而言，宇宙在任何一个维度上都无法触及它的尽头。太空的“空”更是令人难以想象。在以“光年”（或者更大些的“秒差距”）¹为计量单位的空间尺度下，物体之间的距离动辄几十、几百、几万光年。这种孤独远远超出了一般人的想象。

各类影视作品所表现的太空场景是那么“拥挤”，以至于让人觉得宇宙天体之间的旅程，同我们坐航班去另一个城市那样方便。如果你想要获得广阔太空的真实感受，至少也得站在午夜的星空之下，仰望繁星，努力想象出那些体量远超太阳的恒星之间那种令人绝望的空间尺度。在这种尺度之下，太空作战的环境同人们对于战场的认知有着本质的差别。

地面上的一个人，直接接触到的长度单位是米。身高1.8米，家具2米宽，汽车5米长……。当我们放眼远处的景象，所用的单位就需要用千米（公里）来描述。当我们跳出直接感官的范围，开始检视更大范围的事物和场景，度量单位就拓展到几百、几千、甚至几万公里。然而，这样的尺度还没有跨出地球的范围。6,000公里的半径，40,000公里的周长，对于固着于地面的人，是难以想象的大。但是，当我们在夜晚抬头观看月亮，我们看到的空间尺度已经扩展到了十万公里的级别。当阿波罗宇航员往返38.4万公里的距离，接触到我们在宇宙中最临近的小伙伴之后，人类对于太空的观感有了更直观的感受。

在那个疯狂的竞赛年代，人类把各种最先进的探测器投向我们临近的两个大邻居（火星、金星）。然后，轮到远处的邻居（木星）。深空探测在“旅行者”们²出发时达到了巅峰。在将近半个世纪的旅程中，两位“旅行者”掠过最后一颗大行星，穿过柯伊伯带，现在已经出了日球层³，飞出了太阳系。然而，如果采用更宽松的太阳系边界的定义，那么太阳的引力边缘在1光年之外⁴。“旅行者”们还需要几万年的时间才能到达那些地方。

那么，“隔壁村子”呢？比邻星，半人马座$\alpha$ C（Alpha Centauri C），距离我们4.24光年（约 40 万亿公里），归属于一个由三颗恒星组成的恒星系统，而且还有行星（《三体》的灵感来源）。太阳的最大势力范围距离比邻星的最大势力范围，还隔着两个“最大势力范围”。里外都是几十万年级别的航程。真是太遥远了。

远？开玩笑。这是最近的。我们的太阳在银河系里，距离银河系中心2.5万光年。银河系直径10万光年，在本星系群的核心位置。本星系群在拉尼亚凯亚超星系团里。拉尼亚凯亚超星系团5亿光年。我们现在能看到的最远的天体在138亿光年以外，而整个可观测宇宙半径465亿光年。

在这个空间尺度下，目前人类创造的任何速度记录，如同静止。不过，人类对于空间，也没有那么大的占有欲。人们只在乎空间里的东西——资源、财富、机器、朋友、家人、权力……。这些东西在我们日常可及的空间范围内都可以触及。但是，终究有一群人，对于更远处的空间充满了渴望。然而，即便对于这些渴望空间人而言，太阳系还是太大了，远远超出了他们的野心。

这里面，最根本、最核心、最基础的问题是时间。不管多么深远的空间，我们必须在合理的时间内到达。在合理的时间内返回，如果需要的话。距离摆在那边：

只要拿这些数字除以我们现在能达到的任何一种速度，马上就能体会到什么叫绝望。然而，绝望并不能压倒这些人。他们——物理学家、数学家、工程师、企业家、金融家……，不管是谁，都在倾尽全力试图让人们飞得更快，飞得更远。

但是，我们知道，不光是要飞得更快，还需要更快地飞得更快。很显然，加速1万年达到光速的一半，也不是我们想要的。我们需要在很短的时间里达到有价值的速度。比如，5小时内加速到22公里/秒，就能在10小时内到达月球。

仔细看看这些数据和算式，我们会发现，其实不需要很高的加速度，就能很快达到有价值的速度。根据加速度公式$v=a\times t$，5小时内加速到22公里/秒，只需要$0.121g（1.186 \text{ m/s}^2$）地面重力加速度的$\dfrac{1}{10}$。如果我们用最让人舒适的1个重力加速度前往月球，大约3.48小时就能到达。前往火星的话也只需要1.73天。既舒适，又快捷。

但是，里面有个要紧的细节。前往另一个天体的行程必须分成两部分。出发之后，飞船先要加速，持续加速。当到达旅程中点的时候，飞船需要翻转$180^\circ$，然后再次启动推进器，开始减速。必须要减速，否则到达目的地的时候，就会在一瞬间与之擦肩而过。

这样，人类关于空间的欲望就得到了满足。用1个g的加速度前往木卫三[^6]种菜，5.86天；前往土卫六跳伞[^7]，8.33天。如果有人想去冥王星吃冰激凌呢？17.85天。这很不错，比当年哥伦布过大西洋要快多了。很快，新的欲望就又产生了。

另一个地球。地球是人类的唯一家园。如果它有个三长两短，我们人类该怎么办？在茫茫宇宙中，有数不尽的恒星系统。很多恒星系统都有行星（行星系）。这天文数字的（字面意思）行星中，总会有跟我们地球相似，甚至相同的行星（类地行星）。如果我们能够到达那里，建立我们的第二家园，人类文明将获得一个副本。当我们建立足够多的副本（至少三个）之后，人类的文明将不会消失。或许遥远的未来，真的会建立人类主宰的银河帝国。

当我们打算跨跃恒星的边界，1g的持续加速能力完全不够用了。即便是去最近的比邻星，也需要5.86年[^8]的时间。更不用说那些几百几千光年外，可能拥有类地行星的行星系。而且，经过近3年的1g加速，飞船速度将达到光速的95%。当去往更远的星球的时候，无论飞船耗费多大的能量，也只能一点点逼近光速，永远都无法达到光速。即便如此，飞船也需要几百上千年才能到达目的地[^9]。这不是人们所希望的。于是，就有了曲速引擎，空间折叠，跃迁，超空间之类幻想技术。在这些未来科技的帮助下，人类终于（在幻想中）把地球村扩展到了银河村。

不过，这里是研究严肃科学的地方，我不会涉足那些没有现实物理学基础的内容。我完全不懂那些东西。所以，在这里，我只会严格遵守已知物理学的原理，通过严谨的推理和计算，来探讨太空的战术问题。

这样，我们只能把目光从遥远的银河系收回到太阳系，在我们已知物理学所能企及的空间尺度内，具体研讨太空战术问题。

我们回过来仔细琢磨一下在太阳系中旅行的课题。要达到这种自由旅行的程度，必须要满足一些基本条件。首先，要足够大的推力。要产生1g的推力，那么就需要在每公斤的飞船质量上施加9.8牛顿[^10]的推力。现代科技产生这样的推力并不难。现在的火箭推力基本上都能够达到起飞质量的1.2到1.5倍。但是，它太快。火箭升空后基本上只能工作几分钟，最多十几分钟。而我们需要的是，飞船推进器必须能够工作几天甚至几周。

如果推进器有无限量的推进剂，工作多久都行。当然这是不可能了。推进剂是装在飞船上的，容量肯定有限。而且，推进器推动飞船，也一并推动了推进剂。推进剂装得越多，吃掉的推进力也越多。最终，一艘飞船上有90%以上的质量都是燃料。即便如此，最多也只能工作几十分钟。

这里面关键的要素是比冲。所谓比冲，就是消耗单位质量的推进剂所能产生的总冲量（推力与时间的乘积）。根据牛顿第三定律，火箭喷气产生的冲量会完完整整地传递给飞船，只是方向相反。这就是飞船前进的来源。经过一系列换算，比冲的计算公式是：$I_{sp}=\dfrac{v_e}{g_0}$。单位通常用秒。它的意思就是，把推进器竖在海平面，1千克推进剂，产生1千克推力的情况下，能够维持多少秒。目前比冲最高的化学火箭发动机是RS25，达到452秒。它可以产生232.4吨的推力。全力工作时每秒消耗512千克推进剂。这个比冲水平完全不够进行长时间1g推进的。另一类火箭发动机能够达到几万秒的比冲，但是它们只能产生几毫牛顿到几牛顿的推力，无论如何不能实现1g加速度的。

简单计算一下，一艘能够进行1g加速度航行的飞船至少需要10,000秒的比冲，几百吨级的推力。如果航线深入外行星（木星以外的行星），所需的比冲高达300,000以上。这种级别的推进器目前也只存在于科幻小说之中。为了方便讨论，我们只能假设这类技术是存在的，并且是成熟的。

在此基础上，我们将具体而细致地探讨太空战术的方方面面。