《星球大戰》中的星艦可能成真嗎？

饅頭老妖，南京大學化學博士、西華大學生物工程學院講師。《視覺之旅：化學世界的分子奧秘（彩色典藏版）》《地球簡史》等圖書譯者、吳大猷科學普及著作獎獲得者（譯著類），撰寫過大量科普文章，熱衷于寫偵探小說。

對于科幻迷來說，電影《星球大戰》和《星際迷航》系列中宏偉的星艦群一直是他們對航天科技發展的期待。最近，我國國家自然科學基金委發不了一份研制一千米長的巨型宇宙飛船的研究大綱，這似乎是科幻迷們即將“美夢成真”的印證。如果巨型宇宙飛船被建成，能有更多的航天員和科研設備在太空中工作，這自然是一件好事。但是，今年年初發射的“天和”核心艙全長才16.6米，以目前的科技水平而言，我們真的能造出一千米長的宇宙飛船嗎？

千米飛船，難送上青天

一千米長的宇宙飛船確實令人向往，但是巨型宇宙飛船并不是那么好建成的，需要解決很多問題。第一個問題就是如何運輸這樣的巨型宇宙飛船進入太空。

當然，我們可以用“搭積木”的方式，通過常規的運載火箭，把巨型宇宙飛船的零件分批次送入太空，再在太空中進行組裝。但是，多次運輸所需要的火箭發射成本是非常高的。哪怕是馬斯克極力鼓吹的“獵鷹”火箭（該火箭可以回收并重復使用一部分箭體），每次發射成本也要數千萬美元。一千米長的巨型宇宙飛船想要在太空中組裝，幾十次的分批運輸成本就足以讓人望而卻步了。

更大的問題，是如何把這些艙段精確地組裝成我們所需要的形態。的確，我國航天工業，已經掌握了航天器的精確對接技術，能組合成空間站。然而，這種組合體能夠實現的形式，非常有限，幾乎不可能組成復雜的形狀。

具體來說，目前的艙段連接，都是采用預設接口機械嚙合的形式。這種連接，相對于火箭制造中常用的焊接、鉚接等形式，價格非常昂貴，適應性也較弱。而現有的技術，還不足以在太空中完成較大規模的艙外焊接、鉚接工作——哪怕有機械臂來幫忙，航天員在太空行走中能完成的機械加工，也非常有限。

千里之堤，易潰于蟻穴

即使我們解決了運載火箭的成本問題，成功將巨型宇宙飛船在太空中組裝起來，飛船的巨大體型也會給后續的檢測、維護帶來挑戰。

航天設備是相當精密、復雜的裝置，當裝置中的某個零件損壞，其影響往往牽一發而動全身。為了避免這種影響，在航天設備發射前，技術人員都會巨細無遺地反復檢查。盡管我們可以用精益求精的態度，讓航天設備的零件故障概率無限降低，但我們永遠也無法讓概率徹底為零。而航天設備的規模越是龐大，其所需的零件就越多，整個系統出現故障的概率也就越大。

假設建造一千米長的宇宙飛船需要100個艙段，那么連接艙段就需要99套連接裝置;如果每個連接裝置中含有100個零件，那么連接裝置中零件總數就接近10000個。假設每個零件出現故障的概率，都是百萬分之一，則這99套連接裝置中，至少有一套出現故障的概率，就上升到了百分之一。百分之一的概率看似很低，卻是航天工業無法承受的：一次連接裝置的故障，很可能意味著飛船轟然斷裂，造成無法挽回的悲劇。

末大必折，尾大不掉

建造巨型宇宙飛船要面臨的第三個問題就是飛船的運動控制問題。

我們都知道，太空并不是真正的“空”，反而有許多的太空垃圾，也就是人類歷次發射的航天器、人造衛星等人造物體留下的殘骸。這些殘骸體積都不大，但飛行速度很快，如果它們的運動方向恰好與宇宙飛船的運行方向相反，那么相對速度就會變得更大。按照動能定理公式（E =1/2mv 2），哪怕一個只有幾十克的碎片，都足以產生一萬牛頓以上的沖擊力（相當于拎起1噸物體的力），這足以撞碎航天器的外壁。

因此航天器想要在太空中安全航行，只有兩種方案：給航天器裝上非常堅固的裝甲，或是讓航天器躲避這些致命的碎片。

第一種方案，給航天器裝上堅固的裝甲，這需要厚重的裝甲材料，同時，也意味著航天器的有效載荷會被大量侵占，留給航天員進行科研和生活的空間會被大量壓縮，那制造這個“太空堡壘”的意義也就不大了。

第二種方案，則需要在發現太空垃圾后，及時調整飛船的姿態加以躲避。

然而，這個方案依然面臨著問題：這些太空垃圾的體積并不大，遠距離不容易被觀測到;而一旦近距離觀測到它們，留給飛船轉向的時間也不多了。要迅速改變飛船的方向，就必須提升飛船的速度，對于加速度（a ）的要求自然也很大。雖然在太空中，宇宙飛船會處于失重狀態，但是其質量（m ）所需的推動力依然巨大。根據牛頓第二定律（F =ma ），一千米長的宇宙飛船所需要的推動力之大，可想而知。

而這樣巨大的推動力從何而來呢？在太空之中，這個力量只能來自火箭發動機的推力。而推力并不會憑空產生，需要消耗大量的燃料或電能。如此一來，這個巨大的飛船，就必然會把大量的載荷用于儲備能源，留給航天員的科研、生活空間依然會大大縮水。

夢想還是要有的，萬一實現了呢？

綜上所述，以目前人類的科學技術水平而言，制造一個巨大的飛船，不僅不現實，也不劃算。不如換成幾十艘小型飛船，分別執行不同任務，這相對于巨型宇宙飛船來說技術難度更低，效率卻更高。

但是，研制一千米長的巨型宇宙飛船并不是沒有意義的。巨型宇宙飛船可以提供一個地球上有，而宇宙里沒有的東西：地心引力，也就是我們熟悉的重力。

在宇宙空間中，失重是航天員的常態;但長期待在失重環境下，會導致航天員的肌肉力量流失，回到地球之后需要很長時間來適應環境。況且，長時間的失重狀態也會給航天員的工作帶來各種麻煩。

那么，能不能人工制造出地心引力呢？目前認為比較可行的一種方案，就是讓大型空間站保持一定速度的自轉，通過離心作用來模擬地心引力。這就要求空間站的尺寸必須足夠大，半徑至少在一百米以上;它的尺寸越大，模擬出來的引力就越是貼近地球上的真實情況。從這個角度來說，制造一千米長的宇宙飛船還是具備巨大的科研價值的。

因此，雖然目前的科學技術并不支持我們制造如此龐大的飛船，但這并不影響我們對巨型宇宙飛船的研發。要知道，人類的科技發展是永不止步的。或許，在不遠的未來，我們就能克服這些障礙，讓巨大的太空堡壘變成現實。畢竟，夢想還是要有的，萬一實現了呢？