星際旅行

行星際旅行是指在行星系內行星之間的旅行 ^[3]  。對人類而言，此類的太空航行僅侷限於太陽系內的行星之間。載人飛行的行星際航行必須擁有可靠的生命保障系統，成本非常高昂；而重量較輕的太空探測器則是現時太陽系內行星際航行的主力。

在太陽系中，由於飛往內行星飛行器的軌道方向是朝向太陽的，所以其可以獲得加速度；而飛往外行星的飛行器由於是背向太陽飛行的，故其速度會逐漸降低。

雖然內行星的軌道運行速度要比地球的快得多，但是飛往內行星的飛行器由於受到太陽引力作用而獲得加速，其最終速度仍遠高於目標行星的軌道運行速度。如果飛行器只是計劃飛掠該內行星，就沒有必要為飛行器降速。但是如果飛行器需要進入環該內行星的軌道，那麼就必須通過某種機制為飛行器減速。

同樣的道理，雖然外行星的軌道運行速度要低於地球，但是前往外行星的飛行器在受到太陽引力作用而逐漸減速之後，其最終速度將仍低於外行星的軌道運行速度，所以也必須通過某種機制為飛行器加速。同時，為飛行器加速還能夠減少飛行所耗時間。

使用火箭助推是為飛行器加減速的重要方法之一，但火箭助推需要燃料，燃料具有重量，而即使是增加很少量的負載也必須考慮使用更大的火箭引擎將飛行器推出地球。因為火箭引擎的抬升效果不僅要考慮所增加負載的重量，也必須考慮助推這部分增加的負載質量所需的燃料的重量。故而火箭的抬升功率必須隨着負載重量的增加而呈指數增加。

而使用重力助推法，則飛行器無需攜帶額外的燃料就可實現加減速。此外，條件適宜的情況下，大氣制動也可用來實現飛行器的減速。如果可能，兩種方法可以結合起來使用，以最大程度的節省燃料。

例如，在信使號計劃中，科學家們即試用了重力助推法為這艘前往水星的飛行器進行減速，不過由於水星基本上不存在大氣，所以無法使用大氣制動來為飛行器減速。

霍曼轉移軌道是一種變換太空船軌道的方法，途中只需兩次引擎推進，相對地節省燃料。

飛往火星和金星的飛行器一般使用霍曼轉移軌道法，該軌道呈橢圓形，其開始一端與地球相切，末尾一端與目標行星相切。該方法所消耗的燃料得到了儘可能的縮減，但是速度較慢。

大氣制動是一種太空船使用目標星球的大氣層來減速。阿波羅計劃返回地球的太空船沒有進入地球軌道，以弧形的垂直下降通過地球大氣層來降低太空船速度，直到降落傘系統可以順利展開。大氣制動不需要的濃厚大氣，大多數火星登陸器都使用該技術。

大氣制動的動能轉換成熱量，因此太空船需要防熱結構，以防止太空船被燃燒。

核熱火箭和太陽熱能火箭通常使用氫氣，並加熱到很高的温度，然後通過火箭噴管產生推力。

美國原子能委員會和NASA曾發展NERVA計劃，論證了核熱力火箭可以成為太空探索的一項可靠的工具。在1968年底，SNPO測試完成最新型號的NERVA引擎——NRX/XE後，認為NERVA可以用於載人火星任務。儘管NERVA引擎在測試後已經被認為可以勝任飛行任務，而且引擎也正準備整合入宇航器中，但在最終飛往火星的夢想實現前，被尼克松政府取消。

NERVA曾被AEC，SNPO和NASA寄予厚望，而實際上，整個項目的成就也達到甚至超過它原先的目標。NERVA最主要的任務是“為太空任務提供核動力推進系統的科技基礎”。 ^[2] 

太陽帆使用巨大的薄膜鏡片，以太陽的輻射壓做為太空船推進力。輻射壓不僅非常小，而且與太陽距離的平方成反比，但不同於火箭的是，太陽帆不需要任何燃料。推進力雖然很小，但是隻要太陽繼續照耀着，太陽帆就能繼續運作。

太陽能集熱器、温度控制面板和陽光下的樹蔭都可以視為特殊的太陽帆，太陽帆可以幫助在軌道上的太空船調整飛行姿態或是對軌道做少量的修正而無須耗費燃料。

2010年5月21日，由日本宇宙航空研究開發機構開發的試驗性太空探測器“伊卡洛斯”（IKAROS），以日本的H-IIA火箭和破曉號金星氣象衞星以及其他四個小衞星一起發射。伊卡洛斯號是世界第一個成功在行星際空間運作的太陽帆。 ^[8-9] 

該方式亦可以用於恆星際旅行。

電力推進系統使用外部電源，例如核反應堆或太陽能電池來發電，加速化學惰性推進劑速度，並超越化學火箭。電力推進驅動器會產生微弱的推力，並因此不適合快速機動探測或從行星的表面發射。但是電力推進可以保持數天或數週的連續發射。

空間電梯的概念最初在1895年，由康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基提出。隨着近年納米技術取得的突破性進展，建造一部現實的空間電梯已經成為可能，預計其建造成本約100億美元，遠少於國際空間站或航天飛機的投資。

離子發動機原理是先將氣體電離，然後用電場力將帶電的離子加速後噴出，以其反作用力推動火箭。這是已實用化的火箭技術中，最為經濟的一種，因為只要調整電場強度，就可以調整推力，由於比衝（specific impulse）遠大於現有的其它推進技術，因此只需要少量的推進劑就可以達到很高的最終速度，而既然太空船本身不需要攜帶太多燃料，總重量大幅減少後就可以使用較小而經濟的運載火箭，節省下來的燃料更是可觀。

離子發動機缺點是推力很小，離子推進系統只能吹得動一張紙，無法使太空船脱離地表，而且即使在太空中也需要很長的時間進行加速。離子推力器只能應用於真空的環境中。在經過很長時間的持續推進後，將會獲得比化學推進快很多的速度，這使得離子推力器被用在遠距離的航行中。

恆星際旅行，是一個指在恆星或行星系統之間進行假想性的載人或無人太空旅行。恆星際旅行的難度是遠高於行星際航行的；太陽系以內的行星間的距離不多於30個天文單位，而恆星間的距離卻往往是以百上千個天文單位計，而且很多時是以光年作單位。由於恆星間相隔渺遠，恆星際旅行速度需要達到光速的一個相當高的百分比，且需要很長的時間。

人類現時的太空船推進技術仍未能滿足恆星際旅行所需的速度。即使具備假想性的能達到效率的推進系統，所需的動能對於當今的能量生產標準依然是巨大的。此外，航天器與宇宙塵埃和氣體的碰撞可以對乘客和航天器本身造成危險的影響。

現時，人們已經提出了諸多策略來實現恆星際旅行，其中有攜帶整個生態系統的巨型架構，以至到微細的空間探測器等。人們又提出了許多不同的航天器推進系統，以滿足航天器所需的速度，其中包括了核動力推進，射束供能推進和其他基於推測性物理學的方法。

無論是對於載人或無人星際旅行，都需要滿足相當大的技術和經濟挑戰。即使是對於星際旅行最樂觀的看法，都認為恆星際旅行只能在幾十年甚至幾百年後才可行。然而，儘管有挑戰，如果恆星際旅行能夠實現，那麼將會帶來極大的科學收益。

巨大的宇航器雖然可行但推進成本現實上是不可承受的，極微觀尺度的納米級推進器可能可以用來建造光速太空船。美國密歇根大學的研究人員正在開發納米粒子作為推進劑推進器，這種技術被稱為“納米粒子場提取推進器”。

理論物理學家加來道雄曾建議發射“智能塵埃”至太空，隨着納米技術的進步可能實現。加來道雄還注意到納米探針的將需要遭遇磁場，隕石和其他危險，所以需要發射大量納米探針，以確保至少一個可以順利的到達目的地。

世代飛船是一種星際方舟，到達目的地人類將是那些開始星際旅行的人類後裔。因為規模巨大、生物和社會學的問題，建造世代飛船尚不可行。

科學家已經提出各種暫停生命技術，包括人類冬眠和人體冷凍技術。這些技術提供飛船可以持續長時間星際旅行的可能性。

機器人攜帶凍結早期人類胚胎是另一種可能性的星際旅行。太空移民需要人造子宮，適合人類居住的類地行星，教育機器人將會把人類文明傳承下去。

等離子推進發動機（Plasma propulsion engine）的較狹義的定義是以推進劑（為等離子體）中的電流或電位來加速推進劑，即不單獨用電場加速推進劑者。與其區別的離子推進器則是使用高壓電網或電極來加速推進劑。

核脈衝推進使用核爆做推力的技術。最早提出的計劃是DARPA的“獵户座計劃”，1957年由斯塔尼斯拉夫·馬爾欽·烏拉姆提議。以慣性約束聚變為起點的新提議有著名代達羅斯計劃和遠射計劃（Project Longshot）。核脈衝推進器是以塑性核彈在運載器後爆炸產生極高比衝和極高推重比，此研究方向在當前沒有技術瓶頸。

核聚變火箭是一種以核聚變能量作為推動力的火箭。它能夠提供有效率且長程的太空推進力從而減少大量的燃料攜帶量。在未來更復雜的磁性限制以及防止等離子不穩的控制方法問世後，較小的輕型核聚變反應堆就有可能發明出來。慣性侷限融合技術可以成為輕量化且有力的替代選擇。

對於太空航行來説，核聚變推進主要的優點是它有極高的比衝量，主要的可能缺點則是反應堆龐大的質量。然而，核聚變火箭會產生比核裂變火箭更少的放射線因此可以減少防護需求。

反物質火箭將比其他任何火箭提供更高的能量密度和比衝。如果可以發明高效的反物質生產方法，並安全存儲，反物質火箭理論上可能達到光速的百分之幾十。反物質推進可以讓太空船以極高速度前進，如此一來相對論導致的時間擴張將變得更明顯。

生產和儲存反物質應該可行。但是反物質湮滅將損失大部分能量，產生高能伽瑪射線，特別是中微子。

巴薩德衝壓發動機是1960年代物理學家羅伯特·巴薩德（Robert W. Bussard）所構想的一種理論航天器推進設計。這種推進器是一種核聚變衝壓發動機，它利用巨大的電磁場（直徑從數公里至數千公里不等）作為漏斗來收集並壓縮星際物質中的氫，飛行器的高速將待反應物質強迫推入磁場中，直到壓縮的程度到達足以發生核聚變。物質轉變之後產生的巨大能量透過磁場導引至發動機的排氣方向（其方向與預計的行進方向顛倒），並透過反作用力的原理推進飛行器加速前進，而達到星際飛行的目的。

阿庫別瑞引擎是一項推敲性的時空數學模型，可以仿造出科幻小説或電影中星際旅行裏的作為跨星際的超光速航行的工具。

阿庫別瑞引擎遵守廣義相對論中愛因斯坦方程式，在該範疇下建立出一項特別的時空度規。物理學家米給爾·阿庫別瑞於1994年提出了波動方式展延空間，導致航行器前方的空間收縮而後方的空間擴張，前後所連成的軸向即為船想要航行的方向。船在一個區間內乘着波動前進，這區間稱為“曲速泡”，是一段平直時空。既然船在泡泡內並不真的在移動，而是由“泡泡”帶着船走，廣義相對論中對於物體速度不可超過局域光速的限制就派不上用場。雖然阿庫別瑞提出的度規在數學上是可行的（符合愛因斯坦的場域等式），但其計算結果可能沒有物理學上的意義，也不一定表示真的能夠建造這種裝置。阿庫別瑞引擎的假想機制暗示了負的能量密度，因此需要奇異物質才能使用。所以如果正確性質的奇異物質並不存在，則阿庫別瑞引擎就不能被建造出來。然而，在當初發表的論文上 ^[4]  ，阿庫別瑞接着一段物理學家分析蟲洞旅行的論述之後聲稱，兩個平行的板子之間產生的卡西米爾真空可以滿足阿庫別瑞引擎的負能量需求 ^[5-6]  。另一個問題是雖然阿庫別瑞度規沒有違反廣義相對論，但廣義相對論並沒有包含量子力學的機制。一些科學家因此認為，阿庫別瑞引擎理論上允許回到過去的時間旅行，雖然廣義相對論理論上也允許回到過去的時間旅行，但結合了量子力學和廣義相對論的量子引力理論指出這種時間旅行是不可能的（參見時序保護猜想），因此他們否定阿庫別瑞引擎的可能性。

蟲洞，或稱為愛因斯坦-羅森橋，是連接着時空兩個區域的通道。如果將太空船沿着旋轉黑洞的旋轉軸心發射進入，理論上是可以熬過中心的重力場，並進入鏡射宇宙。

突破攝星是由突破計劃提出的太空探索項目，旨在研發名為“星片”（StarChip）的太陽帆飛行器，以期能以五分之一光速（每秒六萬千米）、經過約20年的航行時間抵達南門二系統，並在到達後再經過約4年的時間向地球傳回信息。

物理學家斯蒂芬·霍金與投資人尤里·米爾納於2016年4月12日在紐約共同宣佈了該項目正式啓動。項目的初期投資為一億美元。米爾納預計整個項目最終耗資可達五十億至一百億美元。 ^[7] 

代達羅斯計劃是英國星際協會在1973至1978年之間倡導的研究計劃，考慮使用無人太空船對另一個恆星系統進行快速的探測。當時希望研究出核動力引擎作為宇宙飛船的動力，並以此前往六光年之遙的巴納德星。

百年星艦是美國國防高等研究計劃署（DARPA）與美國航空航天局（NASA）合作的一項星際旅行計劃。該計劃於2012年1月啓動，目標是未來一百年內使人類能夠進行恆星際旅行。

星系際旅行是在星系間的空間旅行。 由於在銀河系和最近的星系之間都有相對極其巨大的距離，這樣的旅行所需要的技術遠遠超過恆星際旅行。 星系間的距離是恆星間距的大約一百萬倍（6個數量級）。在人的壽命限制下進行星系間旅行的可行技術，遠遠超出了人類當前的能力，現時星系際旅行僅僅是理論假設和科幻小説的題材。

涉及到人類的星系際旅行以現代工程能力來説是不切實際的，被認為純屬科幻。這需要遠超2021年的技術能力的推進手段來使大型宇宙飛船加速到接近光速或實現超光速。雖然光從地球發射到距離最近的大星系仙女星系需要大約254萬年，但是利用長度收縮效應（尺縮效應），旅行者所經歷的時間可以任意的短。光速以下的旅行者所經歷的時間取決於他們的速度和旅行距離。

如果飛船的速度不能達到相對論速度，那麼在星系際旅行過程中則會產生導航上的困難。由於旅行的時間足夠的長，以至於星系和恆星的運動需要仔細計算，才能準確到達目的地。沒有相對論效應，飛船需要額外的生命維持系統來支持人類繁衍成千上萬代的時間來度過漫長的旅程。另一種可行的方案是使用冬眠技術。

狹義相對論限制了任何物體都不能超過光速 ^[10]  ，所以看起來最好的星系旅行方案就是以接近光速的飛船跨越上百萬光年的距離。科幻小説中常常利用一些概念中的旅行手段，比如蟲洞和超空間，來進行短時間的星系際旅行。

曲速引擎是一種可行的，高假設性的，推動飛船以超光速運行的方案。飛船本身並沒有快過光速，超過光速的是空間本身。但是當前還沒有已知的手段可以產生推動飛船的空間波動，但是概念本身符合狹義相對論和光速限制。 ^[11] 

量子力學的量子糾纏實驗提供了瞬時到達的量子傳輸的可能性。

1988年，科學家提出了一個恆星以超過銀河系逃逸速度的速度朝向星系際空間運動的理論 ^[12]  ，這一理論於2005年被證實 ^[13]  。該理論認為銀河系中心的超大質量黑洞平均每十萬年發射出一顆高速恆星。而到2010年為止，已經有16顆超高速星被發現 ^[14]  。在星系際空間中發現的星系際塵埃也被認為是從星系中高速噴射出去的物質。 ^[15]