作品資料 太空航行與作戰技術導論 文 / 金龍魚
卷一太空航行導論
第一節太空航行器推進技術第二節第一種推進形式之火箭推進系統第三節第一種推進形式之各式火箭推進系統第四節第二種推進形式：星際沖壓噴射推進系統
第五節第三種推進形式：光壓推進系統與磁壓推進系統第六節三種推進形式系統的比較第七節太空航行原理與一些初步概念
卷一太空航行導論第一節太空航行器推進技術
任何離開地表進入太空，以及在太空航行的人造飛行體，其最根本的就是它的推進系統。沒有它統其它的一切都不用提了，因此推進系統就是太空船的心臟。不同的太空船推進系統將會直接影響太空航行的型態。而所有推進系統的原理都是植基於物理學上動量守恆定律，簡單來說就是出於以下幾個原因：
一、所有推進系統都是使用根據牛頓第三運動定律的反作用力效果來使航行器前進。在地球上，主要是以外界的物質來作為獲得反作用力的對象。比如陸地上用腳，或用輪子的摩擦力來產生反作用力，水面船艦用種種方法撥動海水以來獲得反作用力使船艦前進，飛機則是以螺旋槳或噴射引擎等撥動空氣來獲得反作用力。就太空船而言則是由噴射氣體或是由外界提供動能來獲得反作用力而能前進。
二、在太空環境中的阻力為零。根據牛頓第一運動定律，任何速度不為零的物體必基於慣性而等速前進。因此在理論上任何太空航行器的航程均為無限大，這點由歷年來發射的外太陽系行星探測船可以得知。航海家號以及先鋒號都已經離開太陽系了，這些無人探測船都會以數十億年的時間來向距離挑戰。而載人的太空航行器受限於攜帶的空氣，水與食物數量以及人類的壽命長度而導致巡航時間受到限制，因而會出現存在某個行動半徑限制的續航力有限的情形。而在這種情況下，能在相同的時間內增大行動半徑的唯一選擇就只有增加巡航速度這個方法。
三、同樣是由於太空中沒有阻力這個原因，當我們想要減慢或停止太空船的運動的時候，必須要消耗攜帶的燃料來抵銷原本的前進速度。這是導致太空航行器與地球圈內的航行器的運動形式差異的最重要的原因。地球上的航行器由於具有大氣與水的阻力因素，因而只要把推進系統關閉，航行器速度自然會降為零。因此在大氣圈內，燃料的消耗主要是用來對抗阻力以維持速度，同時其阻力亦限制了可以達到的速度上限。但在太空中沒有阻力，或者嚴格來說，阻力趨近於零。因此關閉推進系統不會減低航行器速度，想要停止唯有消耗燃料作反向噴射，這造成了較大氣圈內行行更大的燃料消耗量。另外必須注意的是這種情形也適用於太空船的姿態修正與小規模的軌道修正時的小規模運動中。
雖然原理相同，但是應用的方法則有一些差別。想以反作用力前進基本上有三個方法，推進系統也因此三種方法的差別因而可以分成三種形式。第一種推進形式是將自己的一部份質量往後拋擲，如此自然可以使剩下來的部分獲得反作用力而前進。這種形式一般被稱為火箭式推進系統，最有名的例子就是登月用的巨大火箭農神五號。
第二種推進形式則是撥動加速外界的流質藉此獲得反作用力，簡單的例子就是各式飛機與船艦，這些都是撥動空氣與海水等流質前進。基本上這類推進系統有很多次形式，但能在其夠使用於太空中的只有一種，就是沖壓推進系統。
第三種推進形式則是純粹以外界動力來推動，本身既不攜帶可以拋擲的質量，也不特別去撥動外界流質。而這種方法是最早被人類應用的系統，簡單的例子就是帆船。
一般而言，評論各種推進系統優劣的主要標準是其能量利用效率，推進系統形式的不同將會對能量運用效率產生重大影響。另外即使是相同形式的推進系統，也會由於其所運用技術細節的不同而使能量利用效率出現巨大的差異，比如說使用核能或是化學能兩者能量運用效率就有相當大的差別。最後的一種評估方法，則是各種進系統使用的燃料的能量價格。即使是能量利用效率較差，但如果價格較低甚至是免費的時候，無疑的會使其在經濟上具有大的競爭能力。以下將簡單的就三種基本形式的推進系統，及其使用技術不同而衍生的各式子系統的性能作一簡單的介紹與評估。
卷一太空航行導論第二節第一種推進形式之火箭推進系統
一般而言，火箭系統的燃料的能量利用效率為某種燃料所能產生的能量，稱之為「比沖」或是「比沖量」英文縮寫為is或isp。採用公制時，isp的單位為牛頓（產生的推力）除以公斤每秒（質量流量）。另外又因為牛頓的定義為對一個1kg的物體施以1m/s^2的力。經過單位簡化，isp的單位可以用簡單的『s『，即秒來表示。另外，也可以將比沖量乘以地表重力加速度常數（9.8m/s^2）將其換算成火箭的噴氣速度。
舉例來說，化學推進系統約有200秒到480秒的比沖量，或是1960m/s到4704m/s的噴氣速度。比衝越大的火箭推進系統可以在同質量的燃料消耗下輸出更大的能量，讓噴射氣體可以較高的速度噴出。因此能以相同的燃料消耗率來獲得更高的反作用力（即推力）。如果負載已經確定，則飛行器的速度將完全取決於其推進系統的噴氣速度以及其攜帶的燃料量而定；但若想要增加飛行速度，則最主要還是以增加噴氣速度為主。這是因為根據動量守恆定律，可以推導出火箭推進系統的燃料攜帶量與速度的關係。其公式為：
Δv=vcxln{(m+p)/m}
或(m+p)/m=e^(Δv/vc)
v=>火箭的速度變化量，初速為零的火箭之最終速度即為0+Δv=Δv
vc=>噴氣速度
ln=>自然對數
m=>火箭本體的質量
p=>燃料質量
(m+p)/m=>質量比
其中的(m+p)/m也就是火箭本體加上燃料的質量與火箭本體質量的比值，稱為質量比。其意義可以看成為火箭的運輸效率。也就是消耗的燃料與能運送的酬載的比值。
由於p項是在ln函數中，因此在當Δv/vc的值大於1，即最終速度大於噴氣速度的時候，火箭系統的質量比對於任何速度增加將會變的十分敏感，此時任何微小的最終速度要求增加都會讓質量比成指數增長。假設有一火箭為達到最終速度Δv，在從靜止加速速的條件下需要攜帶質量為p的燃料。如果此火箭之Δv大於其vc，若有減速停止的需求，也就是在加速到Δv飛行一段時間之後，於到達目的地後欲將速度停止。其意義相當於單程時的速度變化量v加倍(加速減速等於兩倍的速度變化，只不過施力的方向相反而已)。則加倍後其所需要的質量比將成指數性的增加，質量比將成為原先的2次方，而非p的兩倍。這是因為用來讓火箭減速停止的燃料所增加的額外質量同樣需要在最初加速時增加額外燃料來運送的緣故。
另外，又因為火箭速度變化量Δv和其噴氣速度vc成線性關係，因此若質量比不變，則只要把vc加倍，速度變化量也會加倍，因此也就可以達成減速的要求了。由上面的關係很明顯的可以看出增加噴氣速度的效率遠優於增加燃料攜帶量的效率，因此增加太空船速度的方式以增加噴氣速度為主。噴氣速度提高則代表太空船效率有飛躍性的進展。
但需要注意的是在討論推進系統噴氣速度之前，仍有一個重點必須加以考慮。也就是與一般的直覺上的看法完全不同的，噴氣速度並非完全是越快越好。前面說過，推進系統的優劣評斷主要在於其能量利用效率(亦即燃料的利用效率)。若不考慮其它因素而不斷的增加噴氣速度，則將會使燃料的利用效率降低，同時亦將導致飛行器所能達到的最大速度降低。當然有時候在極短時間內需要速度上的要求而不得不暫時犧牲效率，但這種犧牲是有一個界限的。
理論上每種燃料皆有一個最佳噴氣速度值。這個最佳值乃是以該燃料的能量轉換率來計算。舉例來說，目前核分裂約有0.07%的能量轉換率，亦即一公斤的核燃料經過分裂，其中會有0.7公克的質量轉換成能量釋放出來。因此其最理想的燃料使用方式便是將其攜帶燃料質量之0.07%轉換成能量，用以將其餘的99.93%的質量噴射出去獲得推力。如此可達到的噴氣速度便是以核分裂為動力的火箭之理想噴氣速度，具有最高的能量利用效率，過高過低都是浪費燃料。
如果以此核燃料為例，由於所能提取的能量由於能量轉換率的限制被固定為0.07%，因此想超過這個理想噴氣速度只能減少噴射出去的推進劑質量，其結果可以經由簡單的動能公式k=1/2*mv^2看出來。比如說若欲將噴氣速度加倍，由於總能量k不會改變，因而噴射出去的質量將只剩原來的四分之一，其餘四分之三則必須以零速排出。而反作用力使太空船獲得的速度的公式則是mv=mv(國中的物理公式，還記得嗎？)。因此很明顯的，排氣速度雖然加倍，但由於質量成為四分之一，故相乘起來獲得的速度剩原先的二分之一而已。
由以上的例子可以看出，高於理想排速度就會浪費燃料質量，低於理想排氣速度則會浪費能量。兩者都會減低燃料運用效率。但須注意的是這是具有100%熱轉換效率的「理想火箭系統」，實際上由於工程上的限制，能量利用效率通常會低於此理想值。而推進系統工程師的工作便是使噴氣值盡量近理想值了。附帶一題，能夠得到的最高噴氣速度的是由能量轉換效率100%的物質－反物質對消滅效應的火箭系統，其噴氣速度是光速。由於理論上沒有任何東西可以超過光速。因此根據前述公式，理論上最佳的火箭系統即為使用正反物質對消滅效應的光子火箭，其理論比沖極限為光速除以地表重力常數9.8m/s，約為三千萬秒左右。
另外，重要性僅次於燃料能量運用效率的則是推力。燃料利用效率高的系統不一定代表推力也會高。舉例來說，汽車的加速能力和每加侖汽油能跑的距離沒有直接關係。燃料能量轉換效率影響太空船可達的極速，推力則影響太空船的加速度，推力越大的太空船可以在越短的時間內達到其極速。
基本上在民用太空船上，由於經濟因素考量，推力的重要性並不高，但在軍事用途的太空船上，加速度會影響太空船的反應速度。因此有相當的重要性。推力的另外一個重要性則是軌道投送時的影響。想要將太空船由星球表面推送至軌道上則推力必須夠大，總推力必須大於重量方能將太空船推上軌道。另外越快將太空船推上軌道，受到星球重力的影響時間越短，損失的能量就越少。因此具有自星球表面起飛能力的太空船必須擁有巨大的推力才行。
現在來討論火箭推進系統中各種子形式的優劣和運用範圍。基本上各式系統可以其燃料種類來分類，再以推進方式來作進一步細分。目前已知的燃料種類基本上可分三種，即為化學能，包含核分裂與核融合的核能，以及以反物質與物質對消滅產生能量的反物質燃料。就推進方式而言，則第一種推進形式的火箭推進系統可依應用技術的不同分為熱推進系統與電磁推進系統，加上第二種推進形式沖壓推進系統與第三種推進型式的光壓與磁壓推進系統。
所謂的熱推進系統，即為以燃料產生熱量來加熱工作流質，使其以高速噴出以獲得反作用力的系統。這是目前最常見的系統，這類系統的特性是擁有相當大的推力，但缺點是其燃料效率會受限。這是因為工作流質的噴射速度與燃燒室內的溫度和壓力成正比，但溫度和壓力並不是可以無限增高的。燃燒室的溫度承受能力會受到材料因素的限制，另外還必須考慮熱轉換時的損失，通常無法達到理論上的最佳噴射速度。
電磁推進系統則是將燃料轉換成電力輸出，以此電力驅動線性馬達，用以發射帶電粒子如電子，離子與電漿等來獲得反作用力。這類系統由於沒有溫度的限制，可用十分逼近理想噴氣速度的高速度來噴射其工作流質，因而燃料的能量轉換效率十分高。缺點是由於作為推進工作流質的電子與電漿質量太小，因而其推力十分低。通常需要以極長的時間來加速方能達到極速。且由於推力過低，無法用於星球表面的抗重力上升的需求。
沖壓推進系統則可算是熱推進系統的一種，但由於其特性將其獨立出來自成一類。此種系統乃是吸入星際物質用以做為燃料與推進劑工作流質，優點是可以加到極高的速度，缺點是無法減速煞車。
最後是光壓與磁力壓推進，這是採用外部能量來源作為推進系統，本身並不攜帶或僅攜帶極少燃料，因而可規避上面的火箭速度公式限制，用很低的能量消耗達到很高的速度。缺點是推力相當低，加速時間長且航道固定。
以上的系統並非是互斥的存在，基於其特性，具有同時存在甚至是混和使用的可能性。為求易於瞭解，這裡設定一艘標準太空船來作為不同推進系統效能的比較參考。其基本資料設定為：
太空船本體質量100000t
攜帶燃料質量10000t
太空船全重110000t
質量比(m+p)/m1.1
以這個標準平台來作為不同推進系統比較的比較平台。也就是說，我們以這一艘太空船與如此的燃料攜帶量作為參考基準，更換使用不同的推進系統，視其速度狀態的變化來評估各種推進系統的特性。所要比較的各式推進系統將在下一節敘述。
卷一太空航行導論第三節第一種推進形式之各式火箭推進系統
1.化學火箭推進系統
這是目前普遍使用的推進系統，算是十分原始的推進系統。其以化學物質間的化學反應來提供主要動力。以目前的技術，化學火箭的比沖在200秒到480秒之間，噴氣速度vc大約在3~5km/s左右。化學推進系統除了化學能的能量轉換效率之外，還有工程學上的熱度與燃燒室壓力限制等問題存在。即使未來的化學推進劑的改良達到巔峰，其vc也不太可能超過10km/s的水平，因此其前景有限。若裝備vc約為5km/s之化學火箭推進系統，則標準太空船所獲得的Δv為477m/s。
化學火箭的優點是和其它火箭相比，引擎重量非常輕（較重的部份是燃料的重量），並有極高的推力，可推送大量載荷抗重力上升。缺點就是這個477m/s的Δv與其它形式的火箭比起來實在太小了。化學火箭理想噴氣值約為5000m/s左右，目前的化學火箭工藝技術至少在噴氣速度方面已經達到極限，進一步的發展主要是在系統減重，減少價格與尋找更有效率的新燃料方面。不過如前所述，所能增加的效果也是極為有限的。
2.核分裂式推進系統之一，核分裂熱推進引擎
這是以核分裂作動力源的推進系統。其燃料主要是鈾235或是鈽239。就能量利用方式的不同可以分幾個支系。以火箭系統的支系而言，是以核分裂燃料產生熱，加熱燃燒室中的工作流質（即推進劑）使其噴出。通常採用分子量最低的氫作為獲得反作用力的工作流質以求得最高的噴氣速度。美國在六零年代曾經進行過一項稱之為「核子引擎火箭推進系統應用」的研究計畫，（nuclearengineforrocketvehicleapplications,nerva）測試過這類核子火箭的可能性。
nerva沒有實際升空測試，而是把引擎放在地上，噴氣口朝天噴射的大規模引擎測試計畫。這個計畫中建造了十數部引擎，密集測試了數十次。其中測試機組中的最高出力約為1130mw，比沖約為850秒，推力從一萬磅到二十五萬磅的都有。最高記錄曾以全功率連續運轉28分鐘。而且這些只是以60年代的技術作出來的測試用引擎，便有90年代最先進化學火箭兩倍以上的比沖量。以這個測試用引擎的能力，約可使標準太空船達到794m/sec的Δv。而此種引擎的理論理論比沖值約在750秒到1200秒之間。
nerva研究計畫後來在80年代美國政府刪減火星登陸計畫預算時中止，所有設備皆被棄置，但寶貴的測試資料與經驗都留下來了。如果需要的話，這種引擎是能在最短時間發展出來的優秀次代火箭引擎。和尚未成功的受控核融合火箭相比，這種核分裂火箭用的是已經成熟，相當實際的技術，只要投下經費，十年內便可建造出可靠的引擎裝到太空船上。
另外一方面，即使nerva計畫結束，大量理論方面的基礎研究並未跟著停止。就核分裂熱推進系統而言，理論上具有另一種較為優秀的引擎存在，即氣態核心反應爐。這是相對於nerva計畫中使用的固態（石墨）核心反應爐而言，以鈾電漿與氫混和的氣態爐心反應爐。其比沖潛力在5000秒~10000秒之間。這類引擎的困難與受控核融合爐有點類似，皆為爐心高溫氣體的處理相當麻煩。不過由於其並非欲進行核融合，氣體溫度僅約攝氏數萬度，遠較融合爐的數千萬到上億度為低，因而難度低了許多。若取理論平均值7000秒比衝來計算，則使用這類系統的標準太空船之Δv可達到6538m/sec。但這類系統，包含固態爐心的nerva計畫都有個相似的缺點，即其排氣具有放射性，因此不能在地球上使用。在太空中則無妨，因放射性氣體會很快擴散開來。核分裂系統的理想噴氣值約為11200km/s。
3.核分裂式推進系統之二，核分裂電推進引擎
這種系統簡單的來說，就是用核電廠發電，以電力來加速發射帶電粒子來獲得推力。當然這個核電廠的體積和重量必須縮小到能夠裝進太空船中才行。而小型核電廠已經算是相當成熟的技術了，例如目前最小的核子潛艦排水量才兩千噸左右，因此基本上此類系統問題並不大。而發射的帶電粒子則可從電子到各式離子與電漿等範圍，視需求而有不同。基本上為求得較高的推力與較快的加速度，工作流質以質量較重的金屬離子或電漿為主。若是要求效率的話則就以發射較輕的粒子如氫離子來得到較高的噴射速度。
要注意的問題是需保持太空船的電中性，若是一直製造並發射正離子的話，太空船就會累積負電荷，因此得在離子噴射口中一併噴射電子。若是用電漿推進系統的話則無此問題，電漿本身就是電中性的氣體。這類電推進系統的比沖非常大，通常約在1000秒~10000秒之間，這是以光電池等一般動力輸出得到的比沖值。但其潛力不止於此，若是能以核分裂動力提供源源不絕的能源來加速很輕帶電粒子，則具有把比沖提高到100000秒的潛力。以具有100000秒比沖的引擎來計算，標準太空船約可達到93404m/sec的Δv。
這類系統的缺點是推力非常低，其為了效率必須使粒子加到極高的速度噴射，但粒子的質量非常小，單位時間內能噴射的粒子質量有限因此獲得的推力很低。故採用此種系統的太空船加速度會非常低，一般大約在10的負5次方個g左右。因此必須持續數周到數月的加速才能達到設計上的最高速度，同時也不可能推動太空船從星球表面起飛。
4.核融合式推進系統之一，受控核融合推進系統
這是把前面的核分裂熱推力引擎的能量來源改成核融合，基本原理是一樣的。基本上較受到注意的反應方程序有以下這幾個：
d+d->t+p+3.25mev
d+d->he3+n+4.0mev
d+t->he4+n+17.6mev
d+he3->he4+p+18.3mev
四個方程序中最有效率的是第四個氘與氦三融合的反應，且此一反應不產生中子，幾乎毫無污染，安全性非常高。但地球上不產氦三，只在核子爐中有少量生產，因此價格較高。月球表面氦三倒是很多，但必須建立開採能量。而第一個兩個氘之間的融合則原料比較便宜，氘可以從海水中提煉出來，不過這個反應效率較低。第二第三個反應則會產生中子，會有較大的中子射線屏蔽的的問題。
使用受控核融合引擎，則隨著不同的需求會有不同的比沖值，理論比沖值潛力在1萬秒到200萬秒之間。比沖值的差異在於混入氣體的調整。簡單的來說，如果在融合爐開個出口，讓氘與氦三反應產生的電漿慢慢洩漏出來，用融合反應產生的能量將這些電漿噴射出去，（也有直接用反應爐開洞噴射的方法），就可以得到秒速兩萬公里的極高的噴氣速度，因此而能有約200萬秒的比沖值。但是基於與電推動系統相同的道理，電漿的單位流量質量非常小，所以雖然噴氣速度高，推力卻不高。但如果在從融合爐排出來的微量電漿裡加入氫混和之後再一併排出去，則由於混入氫之後噴射氣體的質量提高了，使噴氣速度vc下降，比沖值也跟著下降，但推力卻可以大幅增加。將氦三－氘反應電漿與氫以1:99的比例混和，即噴射排氣中含有99%的氫的時候，噴氣速度會降成秒速一百公里，比沖值約為10000左右。
故此種受控核融合推進系統可以用調整氫氣導入量來改變推力，在一些需要大推力如超越重力梯度的星球起飛或是緊急加速時非常方便。但這就會造成短時間內效率的下降，會稍微降低太空船的最終速度。附帶一提的是，第四個公式的氘和氦三反應產生的是氦四，氦四是一種惰性氣體，不含輻射線，所以第四個公式反應之引擎加上氫氣噴射的標準太空船可以直接從地面起飛，不會有輻射污染的問題。唯一的問題是這種引擎的出力太大，起降場地面積要很大，且清場得清的乾淨一點，任何太靠近的人都會倒足大霉。以兩百萬秒的比沖值，秒速兩萬公里的噴氣速度來算，則約可使標準太空船達到1906km/sec的Δv值。核融合基於其理論能量轉換效率，其理想噴氣值約為26800km/s。
5.核融合式推進系統之二，核融合脈衝推進系統
雖然受控核融合技術尚未完成，但目前也有可以立刻使用的核融合推進方法，就是引爆氫彈來推動太空船。這種方法被稱為核融合脈衝推進或是爆震推進。基本上的設計是這個樣子的，以數噸到數百噸tnt威力等級的小威力氫彈做為燃料，作成微型氫彈燃料球，每個燃料球直徑大約只有一兩公分。然後在內藏或外部的燃燒室中央以高能聚焦電子束或是雷射束來點燃這些微氫彈來誘發爆縮式的核融合反應。這些氫彈爆炸後將會產生高溫高壓電漿，然後與混和的氫從燃燒室噴射出去獲得推力。
這種系統構造驚人的簡單，燃燒室強度不需要很大，因為每個氫彈球的威力是可以事先調整的，只有數噸tnt甚至是只有公斤級tnt等級威力的微氫彈也是可以作得出來的。以目前的技術，完全可以做出可以承受此種等級爆炸威力的燃燒室，當然燃燒室外層還是要裝上超導線圈，弄出磁場來減少電漿對燃燒室壁的侵蝕，同時巧妙灌入的氫氣也可以有效保護燃燒室壁。
即使是小威力的微氫彈，如果以每秒數十枚到數百枚的流量射入燃燒室內引爆便可獲得相當高的總推力，且此推力可由調整氫彈流量而調整。這可以用簡單的機車二行程引擎來想像，在二行程引擎中也是用混和油氣的爆炸來提供動力，同時用調整油氣流量來得到不同的加速度。駕駛員只要轉動油門便可以加速。
這種系統除了氫彈燃料球流量外，與受控核融合引擎相同的也可以經由導入燃燒室混和的氫氣數量來改變推力。這類推進系統已經經由成功的試飛實驗證實，不過用的燃料不是氫彈而是炸藥。剛開始實驗時那些科學家曾不小心把測試火箭炸成碎片，不過後來經過一些調整，成功的把小火箭發射到數十公里的高空。由於是用連續的爆炸脈衝推動火箭，所以稱這類推進系統為脈衝式推進或爆震式推進。
這類系統的比沖潛力約在一萬秒到一百萬秒之間。還有系統構造極為簡單，造價非常低的優點。缺點是比起受控融合爐的液態燃料儲存方式，固態的燃料球在貯存與運輸上都會比較不方便，占的空間會相當大。使用這種推進系統的標準太空船之Δv是受控融合系統的一半，約953km/s左右
另外必須一提的是，脈衝推進法也可以用在化學燃料與核分裂燃料上。對於化學燃料使用這種方法的效果尚在研究，但是就核分裂燃料而言，使用此法有一些先天缺陷存在。就核融合而言，當量是沒有限制的。大到太陽等級的核融合反應，小到只有幾毫克電漿的融合反應都沒問題。所以可以把單次爆炸威力減低到燃燒室可以承受的地步，再用多次爆炸來維持推力。但對於核分裂而言則存在著一個臨界質量，只有在超過臨界質量的情況下才會產生連鎖式核分裂反應。因此至少要有一定質量的分裂物質才能產生核分裂，換句話說，爆炸威力是有一個下限的。這個下限隨著分裂原料的不同，大約是數千噸到上萬噸tnt當量左右。而一般的燃燒室無法承受這麼大的威力，因此必須使用開放式的外部爆震推進法，而這會造成能量的浪費。且即使是使用此種方法，想承受每次數千噸威力的爆炸，對於太空船的結構將是一個很大的考驗，更傷腦筋的是中子源等輻射屏蔽的問題了。因此在技術上，反而是核融合脈衝推進系統較為簡單易於被接受。
6.正反物質的對消滅——光子火箭系統
此種推進系統乃是火箭系統理論上的極致。以正反物質對消滅來獲得能量的光子火箭，可以極限速度光速來噴射光子或光波獲得推力。因此其理論噴氣速度達到上限，為每秒三十萬公里，比沖值上限約為三千萬秒。裝備這個系統的標準太空船可獲得約28600km/sec的Δv，遠高於前述任何推進系統。但同樣的，光子的等效質量非常低，因而推力會很低。想增加推力唯有靠老方法，於對消滅反應爐中導入氫氣，代價就是降低比沖值。
不過與核融合反應爐不同的是在對消滅火箭中這是兩個不同的反應過程，需要用不同的系統。就核融合爐而言，進行反應後產生能量，並融合成氦四的電漿氣體仍是以電漿形式存在，其以熱能的方式提供能量，之後可以直接將這些融合後的電漿氣體以熱能噴射或以電推進的方式推動噴射，是否加入氫氣並不影響這個過程。但在正反物質對消滅中，燃料將完全消滅，剩下來的是以光子型態的能量，使用反射鏡將這些光子集中成一束單向發射來進行光子推進獲得推力，這就使得此類系統必須以光子這種極低等效質量的粒子為唯一的推進劑。若是想用導入氫氣增加推力的方法，則必須回到類似於融合爐之類的密封燃燒室設計，只不過在其中以正反物質殲滅來取代核融合反應，但這種設計將無法進行最高效率的光子推進。換句話說，高效率光子推進系統和可變推力系統是兩種不兼容的系統，必須獨立存在。
也就是說若是太空船想以反物質燃料同時獲得高效率推進與大幅推力調整的能力，則必須同時裝備這兩種引擎。當然兩者可共享同樣的反物質燃料槽與液氫槽，但液氫槽容量將遠比反物質儲量大，其中將只有少部份用於對消滅反應，絕大部份則是供給推力調整引擎作為被噴射出去的推進劑。這實際上已經可以算是一種混合式推進系統了。光子火箭的缺點是推力太低（不考慮可變推力系統的話），反射高能光子（γ射線）的反射鏡製作極為困難，還有反物質燃料十分昂貴。
就燃料而言反物質是可以人工製造的，而且不需要任何特殊原料。物質和反物質實際上便是凍結了的能量，因此可將能量轉換成反物質。目前在迴旋加速器進行高能粒子碰撞中已可產生並收集反粒子，但由於所需能量太高因而產量極低。以目前的技術水平，反物質的生產成本為每毫克三千億美金，這當然是不可能被接受的價格。但由於反物質的能量轉換效率是理論上最高的一種，具有極高的應用價值，因而將來反物質的生產可會能成為一個大規模的產業。構想中的方法是，在水星以內的環日軌道上建造超大型的迴旋加速器，並配置大量太陽能光電板與太陽熱電力的方式發電，以太陽的巨大的能量來生產反物質。整個系統的建造成本會很高，不過維護操作成本就會很低了，原料則完全不需要，只要太陽沒有停止發光就成了。
7.太陽能火箭的最新發展，太陽能電推進系統
這是與核能電推進系統完全相同的系統，只不過動力源改成太陽能。此類系統是目前人類的技術結晶，且已有現貨。已於98年10月24日發射第一艘使用此類系統的太空船，即deepspace1深太空一號。將來的行星探測太空船大部分都會裝上此類系統。它使用新型更輕更薄的高效能太陽能板，發電效率遠比舊式太陽能板高，故可以讓離子引擎在遠地行星如海王星，冥王星一帶有效運作。將來的大型太空船也可以裝上此類系統。這可以說是將來太空船的主要推進系統，因為可以直接由日光中取得能量，故效率在第一類推進系統中排名第一。自然在需要更高加速度與遠離太陽的地方需要與其它推進系統如核融合系統配合。核能電推進系統的推進器與太陽能電推進系統是完全相同的，所以可以使用同樣的推進器，同時裝設太陽能與核能兩種動力源，這也可以減低系統的重量。
卷一太空航行導論第四節第二種推進形式：星際沖壓噴射推進系統
星際沖壓噴射推進系統的想法與具體計算結果乃是在六零年代由洛斯·阿拉摩斯研究所的r·|com|bsp;太空中雖然號稱是真空，但仍然是有氣體分子存在的。當然密度非常小，平均大約是每立方公分的空間中有一個粒子，但有些具有豐富星際氣體的地帶的粒子數量可能在通常的百倍到千倍左右。如此稀薄的氣體使得沖壓噴射推進系統的進氣口要夠大才能吸入足量的氣體，基本上在星際氣體通常含量的空間，進氣口需要有直徑數千公里的面積才行。但實際上真正的進氣口會只有幾百公里左右，再由進氣口用線圈造出直徑幾千公里大小的電磁場漏斗來電離並吸引星際氣體。
這個方法的缺點是磁場的強度會非常高，會有數萬到上百萬特斯拉，而這種強度的磁場產生的拉力將會讓線圈崩毀，因此必須用低重量高強度的材質固定線圈，構想中的方法是用鑽石來束縛，但這個鑽石本體也會有數千噸重。
除了電磁漏斗吸引的方法外，也有另一種方法，即用電磁透鏡聚焦星際氣體離子。這種方法所需的磁場非常小，約數百到數千特斯拉，但電磁透鏡必須放在進氣口本體前幾千萬公里到幾億公里的地方，因而會造成一些困擾。想縮短距離則就必須加大電場，但這一來就會面臨原先規避的磁場強度過高的問題。另外這種方法會有色差的問題，即聚焦不夠精密造成的散射損失。這種系統的優點是不需要攜帶燃料，其所使用的燃料質量為星際氣體密度乘以太空船進氣口掃掠過後的體積，即最大進氣口面積乘航行距離再乘以星際氣體密度。但此類系統和所有的沖壓系統一樣，無法在低於某個速度的情況下使用，實際上這個臨界速度約在光速的十分之一到十分之二之間。因此必需使用其它型態的推進系統作為第一節加力器，讓太空船達到啟動沖壓推進系統的臨界速度。再者這類系統也無法減速，而其所達到的超高速度也讓使用他種系統減速十分困難。
最後，這類第二種推進形式的系統因其不需要攜帶燃料（不考慮加力器燃料），因此不能使用火箭速度公式，必須使用另外的動量守恆公式。故在此不能用前面的標準太空船公式計算最終速度。就理論上而言，最佳噴氣速度為光速的沖壓噴射系統（即正反物質反應系統）所能達到之巡航速度等於裝載了沖壓系統航在線能吸入的所有星際氣體的質量的反物質火箭所能達到的速度。但由於星際氣體是正物質，因此最佳噴氣速度不可能等於光速。
若以核融合動力之噴氣速度來看，則此類系統的效率將遠高於第一種推進型態的核融合火箭系統，其可以用相同的質量比達到更高的速度。重點就是其完全不需要攜帶燃料，飛行越久吸入的星際氣體就越多，故質量比也就越高。換句話說其最終速度乃視其飛行時間而定，屬於一種變動質量比甚至是質量比近於無限大的系統。理論上是唯一可以進行永恆推進的系統（其它推進系統雖然也可以永恆飛行，但無法永恆推進）。因此此類系統乃是目前理論上能夠最接近光速的系統。
卷一太空航行導論第五節第三種推進形式：光壓推進系統與磁壓推進系統
如同帆船可以乘著風前進一樣，太空船也可以乘著光前進。採用此類推進方式之系統被稱為光壓推進系統。電磁波是具有動量的，馬克斯威爾導出的電磁場方程序中便已指出這點。
光的輻射壓效應是目前設計高軌衛星與行星探測船的主要考量因素，因為它造成的力矩會擾動太空船的航道，在一萬哩的高度以上是太空飛行體的主要擾動來源。目前這種形式的光壓動力被用在行星探測船上，但主要是用於姿態修正而非作為推力。比如航海家四號便以改變光壓力矩作為姿態控制。作為主要推力的光壓系統的最簡單概念便是太陽帆，用一塊鏡子放在太空中，它自己就會受到太陽光壓而前進。
太陽帆的製造在技術層面上有些麻煩，因為它必須非常薄，同時面積要非常大。但這並不是完全辦不到的那種困難，而是效率方面會因為技術水平的不足而滑落。太陽帆目前已有成品，前蘇聯曾經在太空站上測試介於太陽帆與大面積反光板之間的產品，另外以光壓為主要動力的太陽帆成品則是民間的一些業餘團體作製造。「世界太空基金會」(|com|dation)與「法國光子動力推進聯盟」(frenchunionpourlapromotiondela-propulsionphotonique)便已於幾年前造出小型光帆航行載具，並希望能在1992年哥倫布發現新大陸五百週年時能讓此太陽帆航向月球。但這些業餘團體無法支付火箭發射費用，同時也沒有其它班次的發射載具能讓他們的產品搭便車，所以至今仍然沒有發射入太空。
單靠太陽光壓的光帆的優點不需要花費任何燃料成本，缺點是推力太低加速過慢，同時遠離太陽的地方光壓會過低。其推力可由以下公式求得：
f/a=2(s/c)
根據經驗太陽能流量（solarflux）s=(3.1*10^25)/r^2
其中f/a為每平方米的推力值（牛頓），c為光速（3*10^8m/s），s為以瓦計的每平方米能量流束，r為自太陽起算的距離（米）。在距離太陽一個天文單位的距離下，日光功率約為每平方米1400瓦，面積一平方公里的太陽帆約可獲得10牛頓的推力。若是假設此光帆重量為一公噸，則所獲得的加速度僅有約千分之一個g左右，可用此數據來簡單推估光帆系統的性能讓大家有點概念。同樣我們以標準太空船為計算對象，但將其一萬噸之燃料攜帶量作為其所使用之光帆重量，其計算如下：
假設一平方公里面積的光帆重一噸，則一萬噸的質量空間可裝設一萬平方公里的光帆，再假設太空船由距離太陽一個天文單位的地方出發，即其出發點位於地球繞日軌道上，則每平方公里的光帆獲得推力約為10牛頓，面積10000km^2之光帆獲得之總推力為10000*10=100000牛頓。船體加帆總質量為110000噸，根據f=m*a之牛頓運動公式計算，太空船之加速度a為：
100000牛頓=110000,000kg*a=>a=0.00091m/s^2
可將其除以9.8m/s^2換算成等效重力，約為0.000093g，即約為萬分之一個g的加速度。又由於光壓推力將隨光帆與太陽之距離而下降，這會使計算必須採用積分的方式而使計算過程複雜化，為求簡化，我們僅計算此光帆在前一光秒的距離內的加速度。一個天文單位約等於500光秒，一光秒距離僅為其五百分之一，故光壓隨距離增加下降的程度可以忽略。在這第一光秒的距離內，太空船可以達到的速度可如此計算：
v^2=v0^2+2*a*s
由於初速v0為零，因此我們只考慮加速度a與距離s此二變量
v^2=2*0.00091m/s^2*300000000m——式(a)
v^2=546000m^2/s^2
v=739m/s
再以v=a*t求出加速時間t。
739m/s=0.00091m/s^2*t
t=812088sec，將這個數字除以86400可以換算成天數，約等於9.4天。
根據以上的計算，標準太空船可以使用一萬平方公里的光帆，在九天半的時間內加速到739m/s的速度，並在這段時間內前進了一光秒的距離（地球到月球的距離約為1.3光秒）。而這個速度大約略為低于于採用nerva計畫中測試的的固態核心核分裂動力推進系統的標準太空船的最終速度。
當然只要太陽沒有熄滅，光帆船可以繼續加速，但由於遠離太陽時光壓會下降，因而最終有一速度極限，這個極限主要視光帆的性能與其質量占太空船的比例而定，光帆的性能越高指其越薄，能以更低的重量提供相同的推力。而質量比例越大則代表其加速度越高，極限加速度則由光帆性能而定。加速度極限便是100%光帆零酬載的加速度，此例中極限加速度為千分之一個g。光帆質量比例越大則太空船加速度會越趨近這個值，但光帆占越大的比例也代表太空船酬載越小，超過一定程度時增加的速度的利益將會被減少酬載的損失抵銷，因此質量比例有一最佳值，主要改善目標還是會放在光帆性能上。另外一個加速的方法是從更靠近太陽的地方出發，此時可以獲得更高的初期推力因而能有更高的最終速度。
光帆的更進一步運用是用人工主動照射來獲得推力。人工照射可分為以採用聚光照射或是主動發射能量光束兩種。聚光照射即為於近太陽軌道建立反光板陣列群將太陽能聚焦投射到遠處的光帆上，如此可使光帆在相同的距離下獲得比平常更高的能量輸入，或者在更遠的距離減低太陽光散射光壓降低的損失而能夠達成更長的能量輸入距離，兩者都能增加光帆的最終速度。這種方法會稍微增加一些成本，主要是聚光站的建造與維護成本，光帆包含聚光站的能量來源同樣也是免費的。其所增加的速度可以用最簡單的增加推力與加速時間來推估。
例如若從1au的距離開始出發，若聚光站的照射能讓光帆輸入增加n倍，則推力與加速度亦可增加n倍。另外增加照射時間可將式(a)的加速度經過修正後再乘上秒數而定。若是聚光輸入增為十倍，且能量不衰減距離增為1000光秒的話，則在此段距離內的加速將成為73892m/s，約為73.89km/s。而照射時間則增加為94天，約三個月。這個速度已經高於任何核分裂動力火箭並接近脈衝核融合火箭能達到的速度了。如果聚焦能力能夠再加強，讓能量不衰減距離能夠再拉長，則此太空船的速度最終將超過運用核融合動力火箭系統的標準太空船。
當然，一切能量源還是免費的，這就是最大的重點。另外需要一提的是增加對光帆的輸入和光帆接收能量不衰減的距離是一體兩面的，只要聚光能力加強兩個都可以加強，但就光帆而言，其輸入是有上限的，過大的輸入會燒燬光帆。因此聚焦能力超過一個限度後（實際上很容易就會超過），便會在光帆船於近距離時將聚焦光線輸出減弱至光帆能夠承受的安全係數內，而光帆遠離時再逐漸增加輸出以彌補距離拉遠時的散射損失，以此來將光帆的推力(即能量輸入)維持在一個定值。
另外聚焦用的太陽能板陣列則沒有燒燬問題，由於不需要長距離高速移動，它可以作的較厚，同時也可以增加面積與數量等來增加輸出。基本上聚光板是沒有性能的限制的。而光帆的能量承受安全係數亦是光帆的性能值的一個重要參數。
主動發射則是由人工放射能量光束進行衝擊推進，這種方法需要付出的成本較高，重點是在建立光束發射站，發射光束來照射光帆使其獲得推力。與純粹的太陽光聚焦站不同的是這種光束發射站可以自由挑選所使用的光束波長，不同於聚焦站只能純粹的聚焦日光。當然，光束發射站的能量來源也可以使用太陽能，如此同樣沒有燃料費的問題，但是在建造與維護成本上顯然會比聚焦站的太陽能反射板高上許多。
光束發射站的一個使用時機是在遠地星球上的運用，比如建立在木星上。太陽能聚焦站必須靠近太陽才行，但是光束發射站卻可以遠離太陽。當然此時就無法運用太陽能而必須使用核融合發電來作為動力來源了。這會使成本增加，不過這是要在遠地行星運用光壓系統所必須付出的代價。
由於可以自由選用光束波長（一般是在建立發射站時就決定波長，可調頻的光束發射站則會在設計時有一波長範圍限制），因而可以控制光束發射天線的面積與光帆的面積，甚至可以控制光帆的重量。這類系統通常有較聚光站有更佳的聚焦能力，因為他能夠調整波長因而能夠照射的更遠而不衰減。但在長距離照射下仍然有一些問題存在。
基本上光帆的能量轉換效率主要有兩個參數影響，一是太空船速度，另一是光線聚焦能力。就光帆而言，光束直徑小於等於帆面直徑時，所有能量直接投在帆面上，此時光線會被反射與吸收。但在太空船速度低時，入射光線以反射為主，而反射產生的能量傳遞效率是很低的。
而太空船速度一旦加到接近光速時，光線與太空船之間的都卜勒效應便會急遽增大，光線由偏向反射變為偏向於吸收，能量傳遞效應就會增加。因此太空船速度越大，能量吸收效率就越高，從接收的能量中所獲得的加速度就越大。但在距離一遠，光束直徑大於光帆的直徑時，能量便不是完全投在光帆上了，此時就會有光束擴散的能量損失。這個損失與太空船與光源距離的平方成正比。而要減少這種損失就必須增加光束的聚焦能力。或者採用暴力法，直接在遠距離時增加輸出以彌補散射的損失。
以上兩點跟聚光站是一樣的，但就第二點而言，由於增加光束發射站輸出的困難度與成本遠較聚光站的純粹增加反射板高，因此就光束發射站而言，採用第二種方法很容易不符合成本，因此仍將以增加光束聚焦能力為主要手段。需注意的是這裡的「能量光束」並非單指可見光範圍的光線而言，而是在長到公分波，毫米波等級的電磁波束到波長極短的硬x射線光束範圍內，這就是可挑選波長的光束發射站的優勢了。
一般來說，光束波長短則聚焦能力越強，所使用的發射天線面積也就能夠越小。比如若使用硬x射線這種極短波長的光束，則發射站的天線口徑可能只有數百公尺到數公里。波長一長則天線口徑就會越大。但波長不是越短越好，還需要光帆的配合，光帆是否能夠吸收該波長的光束，或者此種光帆是否能作的很薄很輕，這些都是考量重點。同時短波長不一定保障能縮小天線口徑，因為若是發射能量固定，則口徑越小發射天線表面的能量密度就會越大，甚至有可能大到光束發射瞬間就燒掉發射天線，因此天線口徑還是有下限的。比較可能的是用較長波長的光束，並使用天線陣列群來達成大孔徑的需求。
另外波長一長，帆的重量便有可能降低。因為光線在碰到孔徑比其波長短的金屬網格時會完全反射，跟碰到沒洞的金屬板效果是一樣的。一般家庭的微波爐便是運用這種效應讓人能夠看到加溫中的食物（不過還是建議大家別去看），使用波長較長的微波或是毫米波光束，則便可使用由金屬細絲織成的網狀光帆，如此不需要特別技術便可自然降低光帆重量。也可以在相同的總重量下增大光帆面積。
基本上，聚光站將會被運用在近距離的低速的光帆船上，而光線發射站則會應用於遠距離的高速光帆船之上。就內太陽系運作或是飛向遠地行星任務而言，聚光站是一個相當好的選擇。而在遠地行星飛向內太陽系（這還必須要抵消太陽的光壓）或是往更遠的太陽系外層移動則以光線發射站系統為佳。這兩種系統算是互補的形式，前者應該會建立在水星以內的太陽軌道上，後者則應該會建立在木星上，從木星提取燃料來運作。
光壓推進系統的最大優點是價格，因為其太空船不需要攜帶燃料，燃料費用自然就省下來了。聚光站與光束發射站雖然需要建立與維護成本，後者也可能需要燃料成本，但大量運用下來採用此類推進方式系統在價格上會極具競爭力。即使是需要燃料的光束發射站，若使用相同數量的燃料，其能使太空船增加的速度會高於火箭推進系統所能增加的速度。而這類系統的缺點是其太空船的推力方向會受到限制，且在遠距離時運作效率會低落，比如要在冥王星周邊運作（不是飛向冥王星）效率會降低，其飛行方向垂直於光束時甚至沒有作用，且太空船會有一固定的航道而較難作機動。
聚光式光壓系統的另一個延伸概念，是光帆航線與光帆船團。用大量太陽能光板聚光可以產生一條航線。並不瞄準某艘太空船，而只是對準一個方向造成一條光道。任何有裝帆的太空船隻要進入這條光道便可以獲得動力。此種概念將會產生出光帆航線與光帆船團。太空船在進入光帆航線內可以獲得光壓動力，離開後則使用自備的火箭引擎推進。這也是一個節省燃料的方法。
第三種推進形式的另外一個概念便是磁壓推進系統。它和光壓系統相當類似，不過利用的是太陽的磁場。太陽會放出太陽風，這是一種流動的電漿，電子與質子氣體，其速度約為每秒五百公里。因此若用超導體線圈造出一個環狀的電磁場帆便可以讓太空船乘著太陽風飛行。
磁帆的組裝與操作皆較為簡單，只要把圓圈型超導電纜通上電流，它就會受磁力而自動膨脹成完美的圓形。打開電流開關則磁帆便可乘太陽風風推進，不想推進時只要關掉開關即可，不像光帆還需要收帆或改變角度。不過磁帆需要使用大量高溫超導體，而這目前仍在研究。磁帆本身的性能也只有一些理論上的探討。基本上磁帆在接近太陽的地區如近地行星帶中效率較好，可能會比光帆好些，端視高溫超導體的發展而定，在遠地行星則效率降低。再者前面使用微波光束照射的網格狀太陽帆若是部份採用高溫超導體製造，則同時亦可有磁力推進的效果存在。
卷一太空航行導論第六節三種推進形式系統的比較
關於各式推進系統的簡單介紹到此為止，接下來則來探討各種推進系統的可能運作情況。就第一類推進系統而言，化學火箭仍會是短時間內主要動力源之一，即使核能火箭開始運作，初期仍是要靠化學火箭來作地球表面至繞地軌道間的舉升運載。但就行星間太空航行而言，化學火箭十分不經濟，因此將會很快的被更佳的系統取代。
核分裂電推力火箭技術難度與受控核融合火箭相比並不高，同時此類核電動力系統已累積大量的運轉經驗，因此有可能在短中期內成為主流，而核分裂的熱推力火箭目前則是卡在環保問題以及政治問題上。實際上若是沒有政治因素的影響，這類系統現今應該已經發展成熟並大量運用中。但既然已經拖延到現在，則可能會還沒正式上台便結束其生涯。因先進的核分裂熱推力系統之概念（氣態核心爐）與核融合系統相當類似，同時核融合系統的能量效率又遠較其為高，而構造簡單的核融合脈衝推進系統又是可以立即上馬，又沒有核分裂系統的污染及輻射屏蔽問題，因而完全可以輕易擊敗核分裂熱推力系統。再加上核分裂系統所用的燃料鈾與鈽等價格又較貴（藏量較少之故），因此很有可能會直接跳過核分裂熱動力系統直接使用核融合脈衝推進系統。
至於受控核融合推進系統則由於受控核融合尚未發展完成，同時即使發展完成，想成熟到能夠裝備至太空船上仍須一段時間，因此中期仍然應以核融合脈衝推進系統為主。不過長期下來，受控核融合系統仍然會成為主流，這是因為其比沖值較高的緣故。再者受控核融合的發展同時還有提供太空飛行以外一般能源的目的。
核融合脈衝噴射則是為了太空飛行而發展的方法，並不適合用於作為供應一般能源的發電使用。目前受控核融合雖然也有以雷射爆縮的慣性拘束研究，但用在發電上系統的複雜度將不下於托卡馬克的磁場電漿拘束系統，且輸出功率也會較低。目前的雷射爆縮研究目的與其說是為了用來發電作為能源供應，不如說為了軍事用途的核爆研究。
不過即使是受控核融合系統普及之後，核融合脈衝推進仍然會以其極為簡單的結構，相當大的推力與較低的系統故障率與價格而能佔一席之地。特別是中小型的太空船就很可能會選擇使用脈衝推進系統來作為推力源。像是百噸級或是千噸級的區間聯繫船，小型人員運輸船，中型探測船或是區間太空戰鬥機，甚至是大型飛彈等都很可能都會使用此類系統。至於星際沖壓噴射系統，則除了超長程恆星探測船外沒有其它的市場，因而其進一步研究發展可能要再拖下去了。
而第三種推進形式的的光壓與磁壓推進系統則具有極大的潛力，關鍵乃是在於價格方面。比如前文舉的太陽光壓系統一光秒距離加速的例子與核分裂動力火箭相比，兩者間的巨大區別是火箭系統可能僅在幾分鐘內便可達到此一最高速度，但需要支出龐大的燃料成本，就核分裂引擎的標準太空船而言是一千噸富鈾的價格，推進系統本身的造價尚未計算在內。而光帆系統則需要加速九天半，但是一毛燃料費用都不用花，只要太陽不熄滅就成。
而光帆本體的價格則很便宜，從金屬薄膜，凱夫勒纖維鍍金屬甚至網狀材質等都有，總之能比一千噸的富鈾貴的材料似乎並不多。再者核分裂火箭的這一千噸富鈾（或者是核融合火箭的氦三或氘）都是會在飛行中消耗掉的。而聚光站與光束發射站都可以重複使用，因此價格可以分攤下來，實際上建造這些系統的成本並不比鈾礦的開採與提煉設施貴多少（運費除外）。
另外光帆可以重複使用，也可使用一次就丟掉，端視需要而定。換句話說，光帆的消耗性能量主要來自太陽，而這價格極低，其它推進系統的消耗性燃料在這方面無法與之競爭。但光帆系統的航道與機動遠不及火箭系統，因此在行星間航行與輸送中光帆系統將會是主要的「輔助動力源」。也就是同時裝備火箭系統與光帆，有點像是裝了蒸汽引擎的帆船，或者是裝了帆的蒸汽船之類的。
雖說是輔助動力，但可能是整個航行中一半以上到90％的能量是由光壓提供。火箭系統僅於緊急時使用，或作為停車靠泊與航道修正時的輔助動力。但有個例外，軍用艦艇不可能以光帆為主要動力，至少在戰爭時不可能，因為光帆系統的航道十分固定容易被預測，且體積，或者說是面積龐大，非常容易被偵知與破壞。因此在戰鬥艦艇上應該是以核融合推進為主要動力，另預留搭載光帆系統的硬點支架以於平時的訓練任務中搭載光帆以節省燃料，或者作為出港時艦艇的加力器。
當然在戰時作為加力器用途的光帆將會在以其增加到一定速度後拋棄。這類一次使用性的光帆可以做的厚一點，在推進時以高功率光束照射以在短時間內獲得最大推力。當然這樣很可能會燒燬光帆，不過既然是一次性使用這就不重要了。所以光帆算是太空戰艦的副油箱，可以增加其巡航半徑與巡航速度。就地球上的類比而言，光壓推進系統相當類似於地球上的鐵道系統或是海運系統。具有廉價大量運輸的特性，但機動性與加速度（並非速度）遠低於汽車與空運體系。另外光帆或是磁帆亦可做為太空船的減速系統，就是光壓煞車或是磁壓煞車。運用這兩種系統來煞車可讓太空船的巡航速度立即提升一倍以上。這在後文將會提及。
卷一太空航行導論第七節太空航行原理與一些初步概念
所謂的航行不外乎是從一個地點移動到另一個地點。以太空航行而言，就是軌道轉移的動作。從某個星球的軌道航行至另一個星球的軌道，或是從同一個星球的低軌道移動至較高的軌道，這種軌道轉移的航行路徑軌跡被稱之為「轉移軌道」。
轉移軌道有無限多條，但消耗能量最低的只有一條，被稱為「霍曼轉移軌道」，乃是由霍曼首先計算出來。霍曼轉移軌道是相切於兩個出發點和目標軌道的橢圓軌道，並且是兩個星球在「合點」的時候才會出現。行星間的重要關係位置有兩種，其一稱為「沖點」，亦即兩個行星位於太陽的同側，乃距離最近的地方。其二是兩個行星分別位於太陽的反對側，是二行星間距離最遠的時候，這個位置關係稱為「合點」。
基於星球運動與太空飛行原理，兩個行星間航行消耗能量最低的是在距離最遠的合點的時候，而非距離最近的沖點的時候，這是因為行星本身的運動速度與行星軌道上的恆星重力勢能的影響。沖點雖然距離近，但由於飛行時必須先抵銷行星的公轉速度，因此消耗能量是最高的一種。
霍曼轉移軌道飛行需要在行星相對位置達到合點的時候，但行星間並非天天都在合點，比如地球和火星的合與沖每兩年兩個月一次，所以我們說朝向火星的發射窗口開放週期為兩年兩個月一次。
霍曼轉移軌道雖然是最節省能量的軌道（需要達到的速度最低），但並不是飛行時間最短的軌道。如果擁有足夠強力的推進系統，則可以付出消耗更多的燃料為代價，走其它轉移軌道更快的抵達目標，換句話說就是直接飛向目標。這種能力憑化學火箭是辦不到的，必須要使用大推力與大功率的先進核分裂火箭（氣態核）或是核融合推進系統才行。
一般而言，是否值得消耗燃料進行快速航行端視需求而定。比如說海運的貨物和空運的乘客顯然是基於不同的需求，付出不同的成本來選擇不同的運輸方式。再者，在這些轉移軌道中，會有幾條自由返回軌道。所謂自由返回軌道便是在飛行中途發生事故必須放棄飛行時，能夠返回出發點行星的軌道，這必須謹慎選擇軌道與出發速度才行。如失敗的阿波羅十三號便是走自由返回軌道才能在中途放棄任務後返回地球。除了這些軌道轉移動作的注意事項外，其它的航行原理就較為簡單了。
太空船航行的運動原理乃是基於慣性定律。在一開始就提過，太空中沒有阻力（其實是有，不過低到可以忽略），因此任何火箭想要煞車則必須消耗攜帶的燃料逆向噴射來減低速度，而前文提及的火箭公式中的最終速度則是指引擎全開到燃料消耗完畢所能達到的速度。因此前面的標準太空船的最高速度指的全都是太空船進行單程任務，無法回航甚至無法減速的速度。如果想要煞車，則最高速度必須減半。
簡單的來說，加速一個物體到某個速度與在將其速度減為零消耗的能量是相同的，只不過方向相反而已。換句話說這是一個矢量的概念。當然就火箭系統而言，由於燃料的消耗讓總質量降低，因而使加減速時消耗的能量並不相同，但實際上，以同樣的燃料想要減速停止，則速度仍然會降低成單程最高速度的一半。而這種程加減速的情形僅會出現在朝向一個目標港口航行的情況下，若是想要在出發後能減速停止並返回母港，則根據同樣的原理，速度將會掉成原先的單程最高速度的四分之一。而這個速度就是實際上的實用最高速度，同時也是實用巡航速度。
當然如果能出發到另一個港口補充燃料，則可以用兩倍的燃料讓實用最高速度達到單程最高速度的二分之一。如果想自行攜帶全程燃料達到相同的速度，需要攜帶多少燃料？各位讀者不妨自己運用火箭公式計算一下。在此我們將不考慮這種情形，而以單程最高速度的四分之一當成實用最高與巡航速度。
在太空中是無所謂省不省油的，你加到某個速度後關掉引擎，則太空船仍然會依慣性等速前進，因此其理論航程是無限的。但由於成員需要的消耗品如空氣食物水等需要補給，因此太空船仍有一巡航時間，不考慮加速時間的話，這個時間乘上實用巡航速度便是該太空船的實用行動半徑。簡單來說，這跟核子動力船隻與有點類似。
核子動力船艦的行動半徑並非受限於燃料，而是受限於食物等補給品與成員的心裡問題。另外若能用光帆或磁帆作減速需求，則可以減少甚至不需要考慮減速會消耗的燃料，如此一來同樣燃料攜帶量的太空船便可以達到兩倍的巡航速度。但先決是要朝向太陽或是光源站航行，且使用的光帆重量不可超出原先減速用燃料的重量。
基於相同的原理，太空船一般都會裝備多具引擎。太空船的最終速度和引擎的推力與數量毫無關係，只和燃料有關。即使是僅裝備一具低推力引擎，花費較長的時間去噴射燃料則仍然能達到相同的推進速度。以裝備兩具引擎的太空船而言，若其僅開啟一具引擎則推力與加速度將降為一半，但燃料消耗速度也降為一半，因此加速時間為兩具引擎的兩倍。相乘之後所達成的最終速度是相同的，因此乍看之下似乎沒有必要裝備多具引擎。
但問題在於太空中毫無阻力，如果飛行途中發生引擎故障的事故導致喪失推力，則太空船將會持續永恆的飛行下去。想要拯救引擎故障的太空船是極端困難的，這與地球上的情形完全不同。在地球上若是航行器引擎故障，則航行器必定會因為空氣或水的力而停止。若是乘客沒有在迫降中傷亡，又不是迫降在惡劣地點如喜馬拉雅山脈中的話，則至多在數天之內便會獲得救援。但在太空中毫無阻力，喪失推力的太空船無法停止，又由於宇宙空間的巨大距離以及火箭系統的理論限制，因而會使拯救工作相當困難且耗費龐大。這是因為救難船必須以更高的速度，至少必須是兩倍以上，才能夠在第一艘太空船飛行時間兩倍之內追上去拯救遇難船艦。太空船距離基地越遠，救援來到的時間就會越遲，若太空船已飛行一個月而引擎故障，則兩倍速度的救難船會在發出求救信號後一個月才能抵達。且救難船將消耗大於兩倍的燃料。若是救難船增加速度欲更快抵達，則所消耗的燃料便會增加的更快，導致必須付出大量的燃料成本。
根據火箭公式，當太空船最終速度（單程）大於推進系統的噴氣速度的時候，則任何微小速度的增加便會大幅增加質量比。當然在使用先進推進系統如核融合推進系統之時，一般的民用太空船之飛行速度由於經濟上的考量，將不太可能超過其噴氣速度。但是軍艦則由於需要追求速度，便有可能發生此種情形。特別是追求高速的輕型軍艦有可能在引擎發生故障後無法救援回收。因此追求高速的輕型艦反而較可能裝備多具引擎，以避免因為引擎故障而完全失去動力的情況。
附帶一題的是，多引擎太空船的噴射口必須是成對對稱於質心切線，一旦一具引擎故障或損壞，則必須同時關閉對稱的另一具引擎。否則推力力矩將會造成太空船的旋轉，欲使用姿態控制引擎修正此旋轉力矩將會消耗大量燃料，是十分划不來的事。
另外，太空航行的基地與目標不外乎以下幾個，環地球軌道，環月軌道，環火星軌道，兩個拉格朗日點l4與l5，小型星外圍某處，環木星軌道等。這是以太陽系中的重點為主。地球與月球不用說了，火星的地位也相當重要。月球基地或許會比火星較早建立，但人口成長較快，發展較快的將會是火星而非月球。因為火星具有大氣，有較好的農耕與生活條件，加上距離主要礦場與工廠的小行星帶較近，可以就近供應燃料，食物與水，因此其人口增加速度與移民速度將會較高。
小行星帶除了是礦場地帶之外，應該也是主要的浮游工廠位置。這是因為太空中原料運輸成本（必須用太空船運輸）遠比能量運輸（可用光束傳輸，甚至可能就地開採，即使用運輸供給，氘與氦三等融合原料無論如何還是比金屬輕很多）來的高，再加上一般而言產品的重量會比原料礦石低，雖然空間可能比較大，但是太空運輸的問題在於質量而非空間，運輸重量較低的產品可以減低成本，因此工廠應該會朝向原料產地集中。
而太空殖民地的原料則可能先在小行星的浮游工廠生產出半成品的各種模塊，再拖運至拉格朗日點組裝。至於貨櫃船，郵輪，運輸艦，油輪甚至是戰艦則可能直接在小行星帶的浮游工廠建造，因為那裡有所有需要的原料。浮游工廠可以在無重力高度真空的環境下，生產出地球上不可能生產的極優良的產品與材料。如果需要重力的話，則可由旋轉的離心力造出人工重力。
例如一繞軸心旋轉的扁圓型工廠，在圓周部份具有最大重力，旋轉軸心部份則是零g，可依需要生產不同產品，甚至可將生產線串接起來，在不同的加工程序中可以運用最適當的重力要求環境。
環木星軌道上則應該是主要的太空船燃料產地，應有軌道浮游工廠抽取提煉融合原料，再者由於燃料豐富，此地也該是主要的外太陽系與其它恆星系的長程探測船的基地，同時會有很多科學家聚集在此進行研究。
l4與l5兩個拉格朗日點的太空殖民地與太空城市則應該是太空航行的集散與轉運中心，地位當如同今日的香港與新加坡，這兩個地點的先占權爭奪可能會引起相當的衝突。另外需要一提的是水星內側的環太陽軌道將會有大規模的太陽能發電系統以及用以作光壓推進的聚光站。能量將以微波的方式傳送給地球，月球與太空殖民地。這些能量供應站應當具有相當高的自動化程度，僅需要最少人力便可操作。這個地區的能量站提供大量廉價的能源，具有重要的戰略地位，但並非無可取代，至少受控核融合發電便可以取代之，雖然必須付出較高的價格。
較重要的應該是往木星的航線，那應該是主要太空船燃料的供應地。不過即使這條航線中斷，地球仍然可以由大海中提煉融合燃料重氫，月球也有相當大的氦三存量，而火星的氘蘊藏量則是地球的五倍。換句話說，往木星航線中斷並非是致命性的，而僅只是稍微提高能源價格而已。真正具有無可取代的最重要戰略地位的應該是原料產地與加工地的小行星帶外圍某處，這裡的存廢將會直接影響工業產品以及軍事產品的質與量。另外地球本身，以及火星在糧食產量達到一個程度後基於糧食的需求應該也是戰略要點。
再者，還有一個特殊的地方，在距離太陽約800au的地方是太陽的重力焦點。自無限遠方的宇宙來的平行光束經由太陽的重力偏轉，將會聚焦在這個距離上。換句話說，在800au的虛擬天球表面上等於有一個與太陽直徑相同的超級口徑的天文望遠鏡。這種解像力足以使其能夠詳細觀察數十億到上百億光年外的銀河與宇宙邊緣的細部結構，因此這裡將是天文學家的天堂，不過這跟一般人的關係並不大就是了。
就一般而言，太陽系內的太空航行應該是這些點之間的聯繫，在太空開發初期，大多數的運輸能量將被用於運載工作母機與能源，以能在太空建立初期生產能量，一旦生產能量建立，大規模行星間運輸能量將會成指數成長。發展到極盛時期，真正的運輸動脈應該是小行星帶的工業產品運輸通路，地球的糧食運輸通路與月球，火星或木星的能源運輸通路。就乘客運輸而言，會採取高速取向，在能夠接受的成本內盡量以最高的速度來運輸乘客，即使用快速運輸艦。而對於產品與原料的運輸，則應當是採取能源節省取向，以大規模，低能源消耗與長時間的型態來運輸，即重型貨櫃船。而能源（特別是火箭燃料）則以介於兩者之間的速度來運輸。
至於往其它恆星系的航行探索則並不在本文討論範圍內，將來若有可能的話再另行撰文討論之。
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