人类如果要星际旅行，目前哪些问题还没有解决？应该怎么样解决？

不可否认恒星际旅行是极其浪漫、迷人的话题，然而浪漫幻想要成真必须面对现实。首先是动机问题，为什么要载人恒星际航行、去什么地方、到了那里再怎么做。这很重要，如果缺乏足够强烈的动机，就算是有技术、有人力物力也不会有人真的去做，载人登月就是。阿波罗登月打败苏联确立了美国航天的胜利后就缺乏动机继续砸钱载人登月了，然后才是技术和生产力问题。

有人可能急着说了，地球人口膨胀、资源枯竭等等，要走出太阳系进行星际远征寻找第二地球去移民解决问题。然而现实是太阳系自身就难以想象的浩大、富饶。除了大众眼中经典的“九大行星”加月球外，还有几乎取之不尽用之不竭又强大的太阳能、有近两百颗天然卫星，其中有的比水星、冥王星还大例如木卫三、土卫六。以及无数的矮行星、小行星、彗星等小天体，光是小行星就分近地小行星（后面会提到）、主带小行星、木星特洛伊小行星、海王星特洛伊小行星、半人马族小行星、柯伊伯带（所含天体质量为小行星代20-200倍）、离散盘等等，如果算入太阳系外围的奥尔特云，那小行星连同彗星可能达数万亿（trillions）之多。某种程度上小天体比行星更重要，因为引力低起降所需能量低、没有大气阻力，交通极其经济便捷，小行星带最大的小行星——平均直径525.4千米的灶神星赤道上逃逸速度仅360米/秒，尺寸27×22×18 千米的火卫一逃逸速度更是只有11.39米/秒,而地球的逃逸速度则达11,186米/秒！！！

这些资源人类用上万年都消化完，能支持上万亿人口的生活——目前工程技术上建造人口超过1万的太空城市不存在不可逾越的问题。所以可预见未来解决资源匮乏、人口膨胀问题根本不需要恒星际航行来解决，过个十万年都不急。

NASA研究的太空城市见下

这样一个直径1790米、环管内径130米的经典“斯坦福圆环”太空栖息地内部居住区表面积680,000平米（不算多层建筑），能容纳1万人口，总质量1000万吨。

而更大的”奥尼尔圆筒“构型太空城市长约9000米，直径超过1800米，内部有效面积550,000,000平米（比上海的嘉定区、北京的海淀区还大，约相当于7个香港岛的面积），根据NASA的参数表上的推算，总质量超过9000万吨，可容纳82万人口。

这些太空城市都自带工业区、农业区，用太阳能发电，自给自足，都通过旋转产生模拟人工重力。当然为了降低结构质量，内部的大气压仅为地球海平面的一半左右，相当于4500米的高原城市例如那曲，由于太空城市的大气是人工控制，通过适度增加氧的混合比能避免高原反应的情况出现。

下面两张图是太空城市的农业区设想图。

另外太空城市也不算脆弱，外部有2米以上厚度的屏蔽层阻隔辐射和撞击，你会觉得地下2、3米深的防空洞很脆弱吗？加上气密，可以说是三防掩体的标准了。而太空城市的聚光反射镜、光伏阵列、散热器可以在必要时收折，就是受损了修复也容易，可以准备好备件放在掩蔽区内，出事后机器人迅速换掉损坏的部分。

至于下面举两个例子

首先是嫦娥2号飞掠过的4179 号小行星，这是一颗尺寸为4.75 × 2.4 × 1.95千米，质量约为5,050亿吨的近地小行星，就算是只有1/10的质量能用来建设，那也能建超过50座奥尼尔圆筒型的太空城市，总面积相当于38个新加坡，共能解决4100万人的生活问题，相当于2座天朝的一线城市！！！

然后隼鸟1号拜访并且采样返回地球的25143号小行星，尺寸535×294×209米，质量3.51亿吨，就算1/10质量用来建城，也能建超过30座斯坦福圆环型太空城市，安置超过30万人口，这差不多相当于冰岛的人口了。这样尺寸的小行星在太阳系多到数不清，下图是截至今年1月的已知近地小行星示意图。光近地小行星就那么多，更别提太阳系其他区域的了。

母星人口爆炸、资源枯竭、或者环境不宜居就建太空城市大量安置人口啊，把某些科幻小说里动不动因为人口膨胀资源匮乏而恒星际远征侵略，却不开发自己的恒星系统资源的论调当真是很愚蠢的，在真正太空时代把地球上的大国政治照搬到未来，不考虑新的世界格局新的生产力、新游戏规则这更无知、荒诞可笑，缺乏思考和创造力。

然后是星际探索这动机，无人探测器的成本远比载人低，技术上也容易多。所以你看人类的太空探险，除了阿波罗外都是无人探测器。而现在就是发射无人恒星际探测器，也超出人类目前技术水平。探测太阳系外更现实更快的解决办法是望远镜，在当今建造口径超过百米的巨型太空望远镜并不存在不可逾越的技术障碍，要知道哈勃的口径才2.4米，这样的超级太空望远镜配合相关辅助系统例如遮光罩、特殊日冕仪等能实现对太阳系外行星的直接成像观察，清晰度至少相当于在月球上肉眼看地球，能看见天气、水体、植被，如果有文明的甚至还能看到城市灯光、城区等巨型基础设施，还能通过分析光谱等获得大气成分等信息。如果多个这样的巨型太空望远镜组成干涉阵列，还能进一步提升观测能力。还有就是把望远镜发射到500天文单位（标准日地距离）处利用太阳的引力透镜效应作为超巨型望远镜观测，也非常强大，可参考下面这篇。

利用太阳引力透镜实现高清成像系外行星已提上NASA研究日程

虽然这距离比去冥王星远十几倍，然而比起恒星际飞行简直是在家门口，技术相对容易实现多。所以载人探险队的收获远比不上技术难度和成本代价，目前和可预见未来探索太阳系外行星最现实最好的办法是望远镜。

下面是欧洲南方天文台取消的100米级口径巨型地面望远镜效果图，注意皮卡和望远镜的比例

不用望远镜观测研究而是冲动的直接费力发射探测器或者载人远征可以说是缺乏基本科学常识，愚蠢透顶，简直是瞎子、无头蟑螂那么盲目冲动。

还有就是太阳膨胀成红巨星，要让人类文明、地球生命存续下来。这个可能是载人恒星际飞行最强大也是最遥远的动机。这个首选得确保人类文明比太阳剩余的主序星长，没毁于内斗人祸。如果人类文明成功的延续下来，开发太阳系了。不用等几十亿年，135万年后就有一颗恒星串门来太阳系，穿过太阳系的奥尔特云。这是一颗寿命比太阳长3.5倍的K型主序星，能让人类文明续好久。在其穿过太阳系时近日点距离仅为去比邻星的几十分之一，相对容易多。详情见我之前写的这篇文章 格利泽710，人类延续的希望 。这可能是集体逃离太阳系的最佳机会，就是错过了也没事。虽然太阳膨胀成红巨星后水星、金星肯定被吞没，地球也很可能被吞，而火星在这种情况下也热成地狱。然而外太阳系（小行星带以外区域）还是安全的，木卫三、木卫四、土卫六等还会因祸得福，升温变的相对宜居，人类在红巨星阶段可以撤退到太阳系外围区域续着，而不是和地球一起毁灭。当然随后太阳会随着抛射物质缩成白矮星，这就给使用太阳能出了难题。好在巨行星大气层里有足够的氢、氦及它们的同位素例如氘、氦3，这些都是著名的聚变燃料。还有太阳系里大量的冰（实际上太阳系冰的总质量比岩石、金属多）能提炼重水，电解重水能获得氘，所以能源上还能续好一阵子。

实际上在技术真正成熟、生产力足够强之前，载人恒星际航行的动机并不强烈到足以让人不惜一切代价去搞。当然载人恒星际航行还是有很大很大的价值，打开全新的世界，让人类文明进入全新阶段、获得难以想象的新知识和新机会、新生活。然而只有等航行难度、代价足够低后才会成为现实。谈完动机问题下面就谈谈客观条件问题包括技术。

虽然现在已经有虫洞、曲速航行的初步理论构想，然而要在工程学上去实现还是毫无头绪，好比牛顿虽然已经有轨道力学的初步理论但无法用那些理论实现太空飞行。所以目前现实的恒星际航行只能是亚光速的。

首先大家最关心的是速度问题，由于相对论效应和高速下太空尘埃之类的碰撞能量巨大，破坏力可怕，加上达到接近光速的速度需要克服的技术难题、付出的代价过于巨大。所以载人恒星际飞行不能盲目求快，很可能会低于20%光速，就是10%光速也算是快船了。别指望达到80%、90%或是更高的光速靠相对论减慢时间延长寿命航行。然而就算是5%光速也远远超出目前的化学火箭技术。

对于发射小型探测器，激光帆、微波帆是最好最现实的选择，因为推进的能源和引擎不在飞船身上，无需携带推进剂，最大限度的降低了质量。然而要把成千上万吨级的载人恒星际飞船而不是小型无人探测器用帆类推进加速到5%光速以上就需要难以想象强的超级激光、微波发射器，可以充当大规模杀伤性武器了。还有就是抵达目的地的减速问题，还需要另外配引擎。阿凡达中的那艘冒险星号亚光速恒星际飞船就是激光帆+反物质。我个人觉得用激光帆、微波帆发射恒星际载人飞船是吃力不讨好，需要庞大的基础设施建设，同时面积巨大的帆也脆弱，还让载人飞船质量不能太大，只适合发射小型飞掠探测器。

反物质推进方面，由于反物质本身获取和储存困难，加上反物质湮灭的能量基本都是伽马射线和介子，介子随后的衰变又会释放伽马射线，人类目前没有任何材料能反射、折射伽马射线，无法充分利用伽马射线的能量，强大的伽马射线还会带来辐射屏蔽问题。所以纯反物质推进的所谓光子火箭无论是技术还是经济上都不切实际。然而用少量反物质给核聚变点火却是很合理的，能简化引擎设计。

由于核聚变方式五花八门，所以就举最著名的现实核聚变星际飞船概念——代达罗斯计划，这是满载质量54,000吨、巡航速度达12.2%光速的无人星际探测器，当初设想用几十年时间前往6.5光年外的巴纳德星探测。

我就简单的说一下它的聚变引擎用电容器蓄能输出相对论性（接近光速的）电子束脉冲聚焦轰击含有氘-氦3的燃料丸，引爆核聚变。在磁场的约束或者说挤压下往后部喷出，由于聚变产物含有大量带电粒子，所以用感应线圈发电回收部分能量给电容器充能作为下次点火的能源，某种算是核脉冲推进。下面放上一张自己翻译的聚变引擎结构示意图。

聚变引擎喷管看起来大不是因为推力大的夸张，是因为核聚变产生上亿度的高温，没有材料能承受所以只能尽量让结构远离聚变区，用磁场去挤压约束聚变的高温废气，同时面积大也能更好的通过热辐射来冷却结构。代达罗斯星际探测器第一级最大推力7,540,000牛顿，结合满载质量54,000吨那初始加速度也就0.0142G。加速到12.2%光速的巡航速度需要3.8年，惯性飞行45年抵达目的地。这已经算不错的了，毕竟NASA现实研究的聚变推进系统加速度极少超有过0.01G的，当然代达罗斯计划只是理论概念性研究，不是真正的工程设计、前瞻计划，肯定有疏漏、指标不合理之处。不过依旧比某人随口吹加速度120G的”无工质辐射聚变推进“严谨合理多。

聚变引擎之所以推力低是跟冷却有关，化学火箭推力大同时没散热问题是因为推进剂流量大，废热都被推进剂特别是液氧之类低温推进剂带走了，如同洗冷水澡一样。而聚变引擎的推进剂流量很低，吸收的热量极其有限。要加大推进剂流量的话是有助于散热，也能增强推力。然而会大大降低喷气速度，对于恒星际飞行这样的情况，比冲是最重要的，就得不偿失。不借助推进剂吸收带走废热的话只能通过热管或者冷却剂泵回路带走引擎的大量废热，通过散热器以热辐射向真空散热，效率就低了。如果散热跟不上，那核聚变难以维持下去——光是超导线圈和点火设备例如电子束、激光、微波发射器过热罢工就要命了。安装巨型散热器会增加飞船质量，羊毛出在羊身上，水涨船高。

有人会问那要把那些变成现实面临什么挑战？首先强大的人工磁体非常重要，哪怕你不是磁约束核聚变也需要强大磁场来控制超高温等离子体免得把自己气化，还有就是对等离子体动力学的特性进一步深入研究，更好的去驾驭等离子体。材料科学也有一定挑战，例如氘-氚聚变产生的大部分能量都是危险的中子，中子能破坏材料的晶格结构也就是中子脆化，中子辐射还能把没放射性的元素转换成有放射性的同位素或者其他元素这叫中子活化，很麻烦。代达罗斯计划用的是氘-氦3燃料，中子辐射少很多然而点火难度更大了。对了其实核聚变已经可控，问题是目前的可控核聚变是亏损的——聚变反应产出的能量低于点火输入的能量。当然这些问题都不像突破光速那样虚无缥缈，未来迟早能解决。

如果实用可控核聚变技术得不到解决，那可以用非可控的核聚变——核脉冲推进，也就是陆续引爆特殊设计的核弹产生定向冲击波作用于飞船尾部配有减震器的加固底板来推进。根据有关研究，核脉冲推进能达到3.3%光速，虽然比不上可控核聚变然而也能用于恒星际飞行。

接下来有人会问太空尘埃的碰撞问题，我觉得首先速度不要太快，然后可以借鉴坦克上的大倾斜度装甲，把防护罩设计的有大倾角，就能把碰撞物打水漂一样弹开（跳弹）而不是直接承受能量。代达罗斯计划用的是铍合金盘作为防护罩。宇宙射线的防护也是大问题，不过如果是核聚变飞船，引擎磁喷管强大的磁场或许能提供一定的防护，偏转高能粒子辐射。当然这取决于飞船设计，可能还需要额外的线圈专门用来防粒子辐射。推进剂储备本身也能起到相当的屏蔽作用，这个同样取决于飞船设计。

然后是设备可靠性问题以及人的寿命问题，前者也许能通过多重替补备份、人工智能机器人自动检修等手段解决。后者就比较头疼，出发时就算是20多岁单纯幼稚的年轻人，以代达罗斯探测器的速度抵达目的地也成年近古稀左右的长者了，回程是不可能的了。何况很多恒星系统离太阳远着呢，例如已知有7颗类地行星的TRAPPIST-1距离太阳系大约40光年，航行时间可想而知。

解决方案有4种

1.续命船，设法大幅度提升人的寿命，让人把生命延长到几百年、上千年。不过这医学技术的挑战太大，可能得以后把人类的基因优化、改造后才可能，不过对于可预见未来很不现实。

2.冬眠船，设法把人进入休眠状态，冬眠、冷冻延长寿命，这个在科幻里很常见。现实里NASA等的确也研究，不过NASA研究的与其说是冬眠不如说是昏睡，通过药物和物理手段诱导人长期昏睡。一样有新陈代谢，需要静脉输液提供营养用导尿管排出废物。只能一定程度上降低氧气、食物、空间的消耗，本身不能延长人类寿命。目前人体冷冻也是冷冻刚死的人，希望在未来医学技术发达后复活，而不是冻活人。人体冬眠技术还有很长很长的路要走，难度也很大。

3.世代船，也就是把飞船里建个自给自足世代繁衍的城镇，一代接一代的继续航程。这个可能最现实，虽然有技术和、行政管理、人文道德等方面的问题，也需要飞船足够巨大，然而相对比前两种容易解决。

4.胚胎船，通过搭载人造子宫和冷冻胚胎，在抵达目的地后人工孕育然后由智能机器人教育培养，这个无论是技术还是道德等的挑战都特别巨大，阿瑟·克拉克的《遥远的地球之歌》就涉及胚胎船和冬眠船。

抵达目的地后还会进一步遇到挑战，例如大气有毒、有致命微生物等危险，所以就是到了可能宜居的行星也不能放松、难以定居开发。很可能相当一段时间会居住在用当地小行星建造的太空城市里，直到克服那些危险。

不管怎样，现实的载人恒星际飞行都不轻松不简单，实际上也并不像科幻中那么浪漫。我个人觉得相当一段时间里，载人恒星际航行会是有去无回的单程票。用世代船在新系统建立人类新文明分支可能相对现实合理，动机不是为了经济而是为了追求新生活新机会、摆脱地球、太阳系的人事麻烦。

对了由于是载人航行，抵达目的地需要减速，不能像探测器一样飞掠而过，加上补偿星际介质、尘埃的阻力（虽然很小很小）以及抵达目的地后的机动。所以实际上所需总的速度增量是巡航速度的2倍多。如果利用磁场对星际介质产生阻力同时搜集氢作为推进剂能起到辅助减速作用，那就能少携带推进剂，降低飞船设计制造难度。

最后强调一下，别指望亚光速恒星际航行能开采另一恒星系统的资源回馈母星，或者建立星际帝国什么的。因为航行的成本和时间注定导致货运毫无经济价值，巨亏。殖民地必然独立、无法控制。

有人说我强调太阳系是新时代的闭关锁国，问题是在丝绸之路、大航海时代，国外有国内完全不同的产品，有足够的差异、诱惑力。并且无论是丝绸之路还是海上贸易航线都是一个人寿命内能完成的，哥伦布横跨大西洋大约用了3个月，麦哲伦环球航行也3年多。而亚光速恒星际飞行是30年甚至300年乃至更久。要比的话应该和史前时代人类走出非洲世代迁移有点类似，见下图，图上的单位是 千年。从下图可见人类20万年前开始走出非洲，18.4万年后才抵达北美。

此外如果天朝只开发了北京市，其他省区市甚至连紧邻的河北、天津都是没人开发居住有待开垦建设的荒地，然而北京却想着用上百年划独木舟、舢板去远征澳洲美洲移民挖矿，这肯定被当脑子有病。忽视丰饶辽阔的太阳系，满脑子想着恒星际远征就是这种情况。然而很多科幻都是那种不合逻辑的荒诞思维。

有人觉得我太乐观了，要悲观的话就说XX年后人类因为XXXX原因而灭绝或者退回石器时代，这最简单，也毫无意义。过于乐观和过于悲观都不好，要谨慎、理性的乐观，有自信又不狂妄，更不能绝望颓废。

最后强调一下未来世界格局可不是今天一张世界地图、五大常任理事国和其他一百多个国家那么简单，而是分布在太阳系内成千上万个独立行政实体，空前的多样、复杂。为将来学地理的学生心痛一秒。

经济体系也会截然不同，贵金属、宝石、稀土大跳水，还有通讯延迟也会给跨星商务带来问题，可惜我不是学经济的，无法具体分析预测未来的经济形态。

有人跟我说九大行星不准确，注意我指的是大众眼中经典的九大行星观念，在不关心天文的人潜意识里冥王星依旧是行星，他们并不会在意甚至没听说过和冥王星同为矮行星的谷神星、阋神星、鸟神星等，其中阋神星的质量比冥王星还大，他们并不会当作和冥王星一样级别的天体。

庆祝被知乎收录推荐，我就补充一点思考

有人可能会好奇太空城市、世代船或者说星际方舟上的生活是什么样，我觉得由于其环境特殊性，很可能会像新加坡一样有非常严厉、细致而且执行到位的法规，避免资源浪费以及造成危害。生活环境会非常整洁宜居，就是某些方面会比较单调，例如光速限制和距离导致通讯延迟大，上外网（星际互联网）会很不爽，只能发电子邮件等来联系。同时由于人口有限产业有限，消费品也没地球、火星上那么丰富多彩。还有出门远游不便（特别是星际方舟上，没地方远游，当然本身就在远游途中）等总而言之整洁、舒适、有序、朴素，这样的生活方式很可能会影响社会、民族性（不如说是族群、社群）产生全新的文化。

有人文科生担心未来失业，别害怕殖民地、太空城市、星际方舟都需要人来管理，理科生学的是管机器，文科生学的是管人管社会，况且一座城市除了农业、制造业外还需要服务业。人类除了物质需求外还有精神文化需求，这就是文科生、艺术生的用武之地。

太空城市最大的意义是不占用星球土地的情况下在太空建造出宜居环境，满足对土地的需求安置人口，如同荷兰的围海造田一样，同时获取小天体的资源。所以政治、经济意义很大，非常有诱惑力，而作为原料的小行星、月球（包括其他行星的天然卫星）矿物可以说要多少就有多少。在不远的未来去南海填珊瑚礁不如去太空建城，环保又高效，还能自给自足。

未来大部分人类可能生活在这样的人造环境中，生活在地球、火星上的相比总人口会是少数。太空城市好比是公寓楼，而行星上生活好比是独院别墅。