利用惯性原理可以突破传统火箭的速度吗？
火箭的推进技术发展受阻（图片来源：pixabay）
现如今的航天科技已经取得了许多重大的突破，但是，有一些设计却由于种种原因仍然停留在上个世纪中期时候的水平，例如火箭的推进技术。至今为止，火箭推进依然是采用最为常规的化学推进剂。而化学燃料效能有限，又必须占据大量的空间，这使得其他火箭技术的发展也因而受阻。
在传统的火箭中，化学推进剂通过混合发生反应，进而产生热量并膨胀，燃烧室内的气体从尾部喷出，形成推力。火箭推进的原理就是利用这种反作用力。然而，化学推进剂所产生的推力除了推动火箭之外，还需要考虑这些燃料本身的重量和体积。这也就限制了火箭的性能，因为能够携带的燃料是有限的。
因此，只要是使用化学燃料，火箭必然不可能去到太远的地方，也突破不了速度的极限。那么，是否有新的方法来解决传统火箭的推进问题呢？电推进技术是一种解决方案，利用电场与带电粒子可以实现比化学燃料更高的性能。但是如前所述，这些方法都是五六十年代的思路，至今也几乎没有任何新的进步。
科学家们把目光投向了力学中的马赫效应（图片来源：pixabay）
近年来，美国国家航空航天局（NASA）设立了相关的研究项目，目的就是要提出新的方案来解决这个问题。科学家们把目光投向了力学中的马赫效应（Mach effect）：当物体加速时，其质量会发生轻微的改变，这种变化能够形成推进效应，即利用惯性原理就能做到突破传统火箭速度的目标。
十九世纪奥地利物理学家马赫（Ernst Mach）一生主要致力于实验物理学和哲学的研究。在空气动力学中广泛使用的马赫效应、马赫波、马赫角等概念均是由马赫率先进行研究，后世以他的名字进行命名并加以发展。今天的理论物理学家则是要把马赫效应运用到新的领域中。
具体的操作并不复杂，简单来说，利用在交变电压作用下会周期性膨胀的压电陶瓷片，当其膨胀或收缩时，内部的加速会使其质量变轻或变重，惯性的变化会让系统的质心朝一个方向移动，这就形成了推进力。在这个理论的支持下，研究人员着手进行了推进器的设计，他们首先通过名为“马赫效应引力辅助驱动器”的装置进行验证实验。
这个推进器概念至今为止仍然只是作为一种可能的猜想（图片来源：pixabay）
尽管这个推进器概念已经有了一些实质性的成果，但它至今为止仍然只是作为一种可能的猜想。事实上，科学家和研究人员也没有足够的理论对这项技术进行合理的解释。目前这项技术还需要更多的实验数据进行可行性方面的证明。而其中一个证明的难点在于，要能够确认这种作用是真实存在的，而不是其他物理效应所产生的干扰。
另一方面，不管是采用激光驱动、人为制造反物质作用，还是借助核动力，研究人员都需要找出一种最佳的方法，让这个概念成为真正能在太空中实现应用的技术，否则这些研究也不具备现实价值。就目前而言，研究人员利用这项技术仅仅能够制造出很小的推力，它与真正实现推动火箭之间还有很长的一段距离。
无论如何，这个理论让火箭推进技术的发展有了一个全新的方向。或许这也将会成为人类未来迈向宇宙更远处的第一步。
原创稿件
制作 叶鹏飞
审校 赵峥 北京师范大学物理系教授
参考文献：Fearn, H., & Woodward, J. (2013). Experimental Null Test of a Mach Effect Thruster. Journal of Space Exploration, 2(2), 98-105.
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