航天器獲得動(dòng)力的新方法探跡

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，人類乘坐航天器遨游太空已不再是天方夜潭。前不久中央電視臺(tái)報(bào)道，個(gè)人只要具備2 000萬美金，明天就可能乘飛船遨游太空。那么如何給飛行器提供動(dòng)力，使其能長(zhǎng)久地在太空中穿梭是現(xiàn)代航天科技的一個(gè)重要研究課題。始至今日火箭推進(jìn)器仍然是人類探索太空的主要?jiǎng)恿碓?。拿發(fā)射同步衛(wèi)星來說，一般不采用普通衛(wèi)星的直接發(fā)射方法，而是采用變軌道發(fā)射。首先，利用第一級(jí)火箭將衛(wèi)星送到180~200km的高空，然后依靠慣性進(jìn)入圓停泊軌道。當(dāng)?shù)竭_(dá)赤道上空時(shí)，第二、三級(jí)火箭點(diǎn)火，衛(wèi)星進(jìn)入位于赤道平面內(nèi)的橢圓轉(zhuǎn)移軌道，且軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)為35 800km，與同步軌道相切。當(dāng)?shù)竭h(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)，衛(wèi)星啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，然后改變方向進(jìn)入同步軌道。但這種化學(xué)燃料火箭實(shí)在是太慢了，它們?cè)诿看物w行開始時(shí)就燃燒完所有的推進(jìn)劑，然后飛船只得滑行完剩下的路程。要想去距離我們最近的恒星，乘坐這種飛船至少得在茫茫太空中飛行幾個(gè)世紀(jì)。更糟的是，目前的化學(xué)燃料火箭有效載荷比很低。如果使用化學(xué)燃料火箭，即使以所需要能量最小的軌道來計(jì)算。發(fā)射一個(gè)負(fù)載6人的團(tuán)體從地球到火星，發(fā)射火箭總重量也將超過1000t，其中90％是燃料，單是燃料本身，就是整個(gè)國際空間站重量的兩倍?？梢?，遠(yuǎn)途長(zhǎng)時(shí)間的太空旅行，攜帶能源上天不是個(gè)好辦法?，F(xiàn)在宇宙飛船所必須攜帶的燃料，竟然要占去飛船90％的載荷量，這顯然是不得已的辦法。最理想的能源當(dāng)然是能夠在空間里不斷取得補(bǔ)充的能源。

1 太陽帆推進(jìn)器

太陽帆航天器是一種利用太陽光的壓力進(jìn)行太空飛行的航天器。在沒有空氣的宇宙空間中，太陽光光子會(huì)連續(xù)撞擊太陽帆，使太陽帆獲得的動(dòng)量逐漸遞增，從而產(chǎn)生加速度。

根據(jù)量子理論，光子不但有動(dòng)能，還有動(dòng)量，其計(jì)算式為p=h／λ，其中h是普朗克常量，λ是光子波長(zhǎng)。既然光子有動(dòng)量，那么光照到物體表面，光子被吸收或反射時(shí)，光都會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生壓強(qiáng)，這就是“光壓”。那么光壓有多大呢?

一臺(tái)二氧化碳?xì)怏w激光器發(fā)生的激光功率為P_o=1 000W，射出的光束的橫截面積為S=1．00mm²，當(dāng)它垂直照射到某一物體表面并且被全部反射時(shí)，對(duì)該物體產(chǎn)生的光壓最大將是多大?我們可以計(jì)算得出來。由E=hν和P=h／λ以及真空中光速c=λν，不難得出光子的能量和動(dòng)量之間的關(guān)系為E=pc。設(shè)時(shí)間t內(nèi)激光器射出的光子數(shù)為n，每個(gè)光子的能量為E，動(dòng)量為p，激光照到物體上后全部被反射，這時(shí)激光對(duì)物體產(chǎn)生的光壓最大。設(shè)這個(gè)壓強(qiáng)為p′，則功率P₀t=nE=npc，壓力F_t=-n·(2p)，激光對(duì)物體表面所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為p′=F／S=2p₀/Sc=2×10³／(3×10⁸×10^-6) Pa=6．7Pa。

既然光照射物體會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生光壓，有人設(shè)想在遙遠(yuǎn)的宇宙探測(cè)中用光壓作為動(dòng)力推動(dòng)航天器加速。給探測(cè)器上安裝一塊面積極大，反射率極高的薄膜——太陽帆，并讓它正對(duì)太陽。若探測(cè)器在繞日軌道上每1m²面積上得到的太陽能為1．35kW，探測(cè)器的質(zhì)量為M=50kg，薄膜面積為4×10⁴m²，那么探測(cè)器由于光壓作用而得到的加速度為多大?

同理可得太陽光對(duì)探測(cè)器表面所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為p′=2p₀/Sc=9×10^-6Pa，再由牛頓第二定律得：

a=p′S／M=7．2×10^-3m／s²。

可見，光壓推動(dòng)航天探測(cè)器的加速度雖然很小，但通過長(zhǎng)時(shí)間加速也能得到可觀的速度增量，這對(duì)遠(yuǎn)距離的太空探測(cè)來說是可行的。

實(shí)際上，太陽帆推進(jìn)器也是真實(shí)可行的，莫斯科時(shí)間2001年7月20日4時(shí)31分，俄羅斯成功地發(fā)射了“宇宙1號(hào)”航天器，該航天器是世界上首次使用太陽帆作為動(dòng)力裝置的航天器。

“宇宙1號(hào)”航天器在運(yùn)載火箭推動(dòng)下，進(jìn)入遠(yuǎn)地點(diǎn)約1 200km的太空預(yù)定軌道后，按預(yù)設(shè)程序拋棄保護(hù)罩，并緩緩地綻開兩個(gè)花瓣?duì)睢⒖傊睆郊s26m的表面覆蓋著鋁薄膜的太陽帆。這艘太陽帆航天器在近地軌道飛行約25min后，按預(yù)定計(jì)劃返回。這次成功的試驗(yàn)飛行證明，利用太陽光壓提供的推力，可以使飛船在太空中航行。

美國也在進(jìn)行太陽帆航天器的研究，并為選擇太陽帆的制造材料進(jìn)行了大量測(cè)試工作，美國航天局預(yù)計(jì)，2010年成行的太陽帆航天器將歷經(jīng)15年以上的航程，飛行3．7×10⁹km，直至太陽系邊緣。

但是，為了最大限度地從陽光中獲得加速度，太陽帆必須建得很大很輕，而且表面要十分光滑平整。且其加速度方向只能沿著遠(yuǎn)離太陽的方向，故存在很大的局限性。而下面幾種推進(jìn)器不存在上述的局限。

2 質(zhì)子、離子推進(jìn)器

人造衛(wèi)星沿圓軌道環(huán)繞地球運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榇髿庾枇Φ淖饔茫溥\(yùn)動(dòng)的高度將逐漸降低。雖然高度變化很慢，但經(jīng)過一定時(shí)間后會(huì)偏離原來軌道，必須利用發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴出質(zhì)子或離子流，對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生微小的推力來糾正衛(wèi)星的軌道或姿態(tài)。

“離子發(fā)動(dòng)機(jī)”是一種新型的宇宙飛船用的發(fā)動(dòng)機(jī)，其原理是將無色無味的惰性氣體充滿一個(gè)由磁場(chǎng)環(huán)繞并有電子束通過的倉室，電子撞擊氣體原子，撞掉一個(gè)外層電子，使中性的原子變成帶正電的離子，這些氣體離子由靜止經(jīng)加速，帶有上萬個(gè)微孔的電網(wǎng)將高速離子聚集到飛船的排氣管，離子以超過1．7×10⁹km／h的速度穿過電網(wǎng)，使引擎加速進(jìn)入太空，由此產(chǎn)生推力。由于單位時(shí)間內(nèi)噴出的氣體離子質(zhì)量很小，飛船得到的加速度將非常小，但經(jīng)過足夠長(zhǎng)時(shí)間的加速，同樣可以得到很大的速度。

如果飛船的質(zhì)量m為3．0×10²kg，氣體離子的荷質(zhì)比(電荷量與質(zhì)量之比)k為7．2×10⁵C／kg，氣體離子高速噴出形成的等效電流I為0．65A，氣體離子噴出時(shí)的速度v為3．0×10⁴m／s，那么使飛船產(chǎn)生的加速度的大小可計(jì)算如下：

設(shè)離子噴出時(shí)對(duì)飛船的作用力為F，在極短時(shí)間Δt內(nèi)噴出的離子電量為q，則對(duì)Δt內(nèi)噴出的離子應(yīng)用動(dòng)量定理，得FΔt=mv，又I=q／Δt，k=q／m，可得F=Iv／k，由牛頓第三定律可知，飛船受到的推力大小也是F，于是可得a=Iv／km，代入具體數(shù)據(jù)得a=9．0×10^-5m／s²。

離子推進(jìn)的有效性已在宇宙飛船上得到了證明，最有名的例子是“深空1號(hào)”探測(cè)器。2001年9月，這只由太陽能電力推動(dòng)的小型空間技術(shù)測(cè)試器飛過哈雷慧星，并拍攝完成了多張照片。驅(qū)動(dòng)“深空1號(hào)”離子推進(jìn)器的效能大約是化學(xué)燃料火箭效能的10倍。

3 彈弓效應(yīng)

當(dāng)空間探測(cè)器從行星周圍繞過時(shí)，由于行星的引力作用，可以使探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)速率增大，這種現(xiàn)象被稱之為“彈弓效應(yīng)”。在航天技術(shù)中，“彈弓效應(yīng)”是用來增大人造小天體運(yùn)動(dòng)速率的一種有效方法。

如圖1所示的是“彈弓效應(yīng)”示意圖。質(zhì)量為m的空間探測(cè)器以相對(duì)太陽的速度u₀飛向質(zhì)量為M的行星，此時(shí)行星相對(duì)太陽的速度為v₀；繞過行星后探測(cè)器相對(duì)于太陽的速度為v，此時(shí)行星相對(duì)于太陽的速度u，由于mM，v₀、v、u、u₀的方向均可視為相互平行。

根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)量和動(dòng)能守恒，且以v₀方向?yàn)樨?fù)方向，則-mv₀+Mu₀=mv+Mu，

mv₀²／2+Mu₀²／2=mv²/2+Mu²／2，可解得v=（M-m）v₀／(M+m)+2Mu₀／(M+m)。

由于m＜＜M，所以v=（v₀+2u₀）＞v₀，說明其速度會(huì)增大。

我們可以具體來估算一下：若上述行星是質(zhì)量為M=5．7×10²⁶kg的土星，其相對(duì)于太陽的軌道速率u₀=9．6km／s，而空間探測(cè)器的質(zhì)量

m=150kg，相對(duì)于太陽迎向土星的速率v₀=10．4km／s，則由于“彈弓效應(yīng)”，該探測(cè)器繞過土星后相對(duì)于太陽的速率將增大為v=v₀+2u₀=29．6km／s，是原來速度的兩倍還多。

不過利用“彈弓效應(yīng)”增大速度還是有條件的。若探測(cè)器飛向行星時(shí)的速度v₀與行星的速度u₀同方向時(shí)，為了使探測(cè)器能追上行星并繞過行星，應(yīng)該v₀＞u₀，由上式可得v=（v₀-2u₀）＜v₀，即不能使探測(cè)器速率增加。

4 等離子體帆推進(jìn)器

等離子體帆是從地球自身的磁場(chǎng)獲得啟示而設(shè)計(jì)的。強(qiáng)大的帆上電磁體能在飛船周圍形成一個(gè)直徑為15km或20km的地球磁場(chǎng)泡。太陽風(fēng)中的高速帶電粒子會(huì)推動(dòng)磁泡，就像它們推動(dòng)地球磁場(chǎng)一樣。在這樣的推動(dòng)下，地球不會(huì)移動(dòng)，因?yàn)榈厍蛸|(zhì)量太大，但宇宙飛船或飛行器卻會(huì)被逐漸推離太陽。另一個(gè)好處是：正如地球磁場(chǎng)能保護(hù)地球免遭太陽磁爆和輻射的侵襲，磁等離子體帆也能保護(hù)飛船上乘員。

當(dāng)然沒有哪一種推進(jìn)技術(shù)能面面俱到。為了把人類送上別的行星，多種技術(shù)的綜合運(yùn)用——混合推進(jìn)技術(shù)飛行將是十分經(jīng)濟(jì)的?？赡軙?huì)這樣進(jìn)行：用化學(xué)燃料火箭使飛船升空；一旦進(jìn)入近地軌道，離子推進(jìn)艙即被點(diǎn)燃，或者可能由地面控制站打開一張?zhí)柗虻入x子體帆，在6到12個(gè)月中，飛船漸漸飛離地球，利用“彈弓效應(yīng)”緩緩地卻不斷地加速，最終進(jìn)入離地軌道。在這段時(shí)間里，飛船上不會(huì)載人，這是為了避免地球的輻射帶對(duì)飛船乘員造成的傷害。接下來機(jī)組人員才會(huì)乘坐高速太空車前往飛船。等機(jī)組人員進(jìn)入飛船后，一枚小型化學(xué)燃料火箭即被點(diǎn)燃，它能把飛船立即加速到逃逸速度，然后飛船直奔目標(biāo)方向而去。

(欄目編輯鄧 磊)