國(guó)內(nèi)外先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展綜述

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(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

航天運(yùn)輸領(lǐng)域發(fā)展的核心目標(biāo)包括提高運(yùn)載能力、降低發(fā)射成本及減少發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間等。相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)技術(shù)，先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)采用新能源或新機(jī)理，旨在從根本上滿足未來對(duì)有效載荷、發(fā)射成本和發(fā)射周期的要求。

國(guó)外對(duì)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)50年代，并在近年來逐漸加快研究步伐。截至目前，美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)、法國(guó)、澳大利亞和日本等國(guó)家先后提出了相應(yīng)的研究計(jì)劃，并開展了大量的理論、方案、地面及飛行試驗(yàn)研究。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始了對(duì)相關(guān)先進(jìn)推進(jìn)裝置的研究，早期基本處于跟蹤分析研究階段。近年來，我國(guó)不斷加大投入，主要研究單位包括中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所、清華大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)航天科工三院和中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，航天推進(jìn)技術(shù)研究院等。各單位取得了較為豐富的研究成果，特別在組合動(dòng)力裝置研究中有了較快發(fā)展，但與世界先進(jìn)水平相比,仍有一定差距，需要開展更深入細(xì)致的研究，以期實(shí)現(xiàn)工程實(shí)際應(yīng)用。

基于此，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外組合動(dòng)力裝置、核聚變動(dòng)力推進(jìn)、離子推進(jìn)、激光推進(jìn)、核子脈沖推進(jìn)、太陽帆推進(jìn)、磁場(chǎng)帆推進(jìn)、布薩德噴氣推進(jìn)、反物質(zhì)推進(jìn)等先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述和可行性分析，并總結(jié)了其發(fā)展啟示。

1 研究進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 組合動(dòng)力裝置

組合動(dòng)力裝置有助于各推進(jìn)單元達(dá)到最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能，從而充分發(fā)揮不同推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)。其中，火箭基組合循環(huán)(RBCC)將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，在不同的馬赫數(shù)和高度范圍內(nèi)保持較高的推重比及比沖，因此在航天推進(jìn)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[1]；渦輪基組合循環(huán)(TBCC)是指渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)組合的動(dòng)力裝置，可以作為高超聲速武器和多級(jí)入軌航天器第一級(jí)的理想動(dòng)力[2]。

1.1.1 火箭基組合循環(huán)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比較高，而比沖較低；吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖較高，但推重比較低。RBCC將二者有機(jī)結(jié)合在一個(gè)流道中，整合了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因此能夠同時(shí)滿足加速及巡航的要求，兼顧高效性和經(jīng)濟(jì)性。

作為第一個(gè)開展RBCC研究的國(guó)家，美國(guó)在20世紀(jì)60年代就開展了可重復(fù)使用航天運(yùn)輸計(jì)劃，由此掀起了RBCC研究的第一次熱潮[3]。其中，馬夸特公司針對(duì)SERJ(Super-Charged Ejector Ramjet)開展了低速來流條件下的燃燒工程試驗(yàn)，研究了引射模態(tài)、沖壓過渡模態(tài)等過程，取得了較好的效果[4]。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)啟動(dòng)了旨在實(shí)現(xiàn)航天運(yùn)輸班機(jī)化的ASTP計(jì)劃[5]，并由此開啟了研究的第二次熱潮。隨后，研制了4種代表性模型樣機(jī)，具體情況如表1所示。

表1 美國(guó)4種代表性RBCC模型樣機(jī)的研制概況

近年來，美國(guó)逐漸加快RBCC的研究步伐，并且取得了豐富的成果。其中，Hyper-X計(jì)劃的推進(jìn)裝置即為ISTAR發(fā)動(dòng)機(jī)，在2004年3月和11月先后進(jìn)行兩次試飛，成功進(jìn)行飛行馬赫數(shù)為7和10的飛行試驗(yàn)。CCE計(jì)劃即是組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)部件發(fā)展計(jì)劃，主要目的是為軍用空天飛機(jī)提供第一級(jí)動(dòng)力，其部件開發(fā)研究開始于2011年，計(jì)劃中以RBCC為動(dòng)力的飛行器為Sentinel，該飛行器以引射模態(tài)作為低速段動(dòng)力垂直起飛，飛行馬赫數(shù)達(dá)到3.5時(shí)則開始以雙模態(tài)進(jìn)行工作，當(dāng)馬赫數(shù)達(dá)到8時(shí)，第二級(jí)由H2O2助推火箭推送入軌，而第一級(jí)則返回地面水平降落。目前，關(guān)于Sentinel的研究正在進(jìn)行，其中飛行器的一體化氣動(dòng)設(shè)計(jì)、飛行軌道優(yōu)化等工作已部分完成[4]。

俄羅斯航天局于20世紀(jì)90年代開始實(shí)施OREL計(jì)劃，旨在研究可重復(fù)使用的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的各項(xiàng)備選方案；俄羅斯中央發(fā)動(dòng)機(jī)研究院也開展了大量組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)方面的研究[10]。

歐洲航天局(ESA)在1994—1998年開展了未來歐洲空間運(yùn)輸研究計(jì)劃(FESTIP)，對(duì)可重復(fù)使用的運(yùn)載器進(jìn)行概念研究，特別進(jìn)行了引射火箭的相關(guān)研究[11]；在2005年還制定了長(zhǎng)期先進(jìn)推進(jìn)概念和技術(shù)研究計(jì)劃(LAPCAT)，旨在對(duì)煤油及氫燃料的RBCC推進(jìn)系統(tǒng)開展系統(tǒng)分析，并對(duì)一次火箭和支板噴射等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

英國(guó)提出協(xié)同式吸氣火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SABRE)的設(shè)想，并計(jì)劃將其應(yīng)用于天龍(Skylon)空天飛行器，被視為發(fā)展前景較好的RBCC設(shè)計(jì)方案。SABRE的構(gòu)型由圖1所示，其研制概況如表2所示。

圖1 協(xié)同式吸氣火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)[12]Fig.1 Basic structure of the SABRE [12]

基本原理 在液化空氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(LACE)和RB545發(fā)動(dòng)機(jī)方案基礎(chǔ)上,通過增設(shè)氦氣回路,并加裝高效輕質(zhì)冷卻器而形成,實(shí)質(zhì)上是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組合。外涵道主要由進(jìn)氣道和沖壓燃燒室組成;內(nèi)涵道由換熱器、空氣渦輪壓氣機(jī)、液氧泵、液氧泵驅(qū)動(dòng)渦輪、液氫泵、液氫泵驅(qū)動(dòng)渦輪、氦渦輪、預(yù)燃室、火箭燃燒室等部件組成關(guān)鍵技術(shù) 冷卻(溫度控制)技術(shù):預(yù)冷卻器單元可以在0.01s內(nèi)將超過1150℃的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣冷卻到-150℃,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度處在可控范圍內(nèi)特點(diǎn)在常規(guī)跑道起飛;飛行器可重復(fù)使用;在大氣層內(nèi)通過吸氣支持燃燒,而不使用消耗大量推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍空天飛機(jī)(進(jìn)入軌道執(zhí)行發(fā)射衛(wèi)星、運(yùn)送空間站給養(yǎng)、太空旅游等任務(wù))高超聲速巡航導(dǎo)彈、空天武器平臺(tái)(反衛(wèi)星、導(dǎo)彈攔截)研究單位英國(guó)Reaction Engines公司支持單位英國(guó)政府、歐洲航天局、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室研究進(jìn)展 2013年完成了全尺寸預(yù)冷器地面試驗(yàn);2015年完成了對(duì)進(jìn)氣道、燃燒室、尾噴管以及模態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證;目前處于1/4縮比驗(yàn)證機(jī)地面試驗(yàn)階段,預(yù)計(jì)2022年進(jìn)行全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

日本從1992年起就開始了RBCC的研究工作，并在2003年正式啟動(dòng)了組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究；近年來，進(jìn)一步開展了匹配超燃的擴(kuò)展構(gòu)型燃燒室中引射模態(tài)的燃燒性能優(yōu)化，以及引射向亞燃模態(tài)過渡的性能研究[14]。

國(guó)內(nèi)的航天科工三院在20世紀(jì)70年代就開始對(duì)RBCC進(jìn)行跟蹤研究，并從90年代開始重點(diǎn)研究了引射模態(tài)以及發(fā)動(dòng)機(jī)典型工作特征，并提出固體火箭沖壓基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和固液火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的概念方案。航天科工三院31所針對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了大量地面試驗(yàn)，據(jù)報(bào)道[15]，已經(jīng)開展了高超聲速飛行試驗(yàn)。航天推進(jìn)技術(shù)研究院研究了RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的主火箭系統(tǒng)，研制了用于一體化集成的主火箭，并開展了以氣態(tài)氧/烴燃料為推進(jìn)劑的點(diǎn)火試驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所分析了不同來流條件下影響引射性能的主要參數(shù)，并由此提出促進(jìn)混合的方案。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)雙模態(tài)及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)開展了點(diǎn)火性能和火焰穩(wěn)定的機(jī)理研究，并成功開展了相關(guān)的自由引射試驗(yàn)。西北工業(yè)大學(xué)組建了引射/亞燃發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并建立了一體化燃燒流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法。

1.1.2 渦輪基組合循環(huán)

TBCC將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)相結(jié)合，使飛行器在亞聲速、超聲速和高超聲速條件下都能獲得較好的推進(jìn)性能。TBCC在軍事及民用領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用前景：既可作為超聲速、高超聲速導(dǎo)彈及飛機(jī)的動(dòng)力裝置，又可作為多級(jí)入軌航天器第一級(jí)的推進(jìn)系統(tǒng)。

美國(guó)也是第一個(gè)開展TBCC研究的國(guó)家，在20世紀(jì)50年代就開展了相關(guān)的研究工作。目前，美國(guó)進(jìn)行的TBCC研究主要包括RTA項(xiàng)目、Falcon計(jì)劃和Trijet項(xiàng)目[16-18]。

RTA即革新渦輪加速器項(xiàng)目，旨在開發(fā)一種馬赫數(shù)為4～5的渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)。該項(xiàng)目的近期目標(biāo)是將基于RTA的渦輪沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈及戰(zhàn)斗機(jī)；中期目標(biāo)是用于全球快速到達(dá)攻擊機(jī)；遠(yuǎn)期目標(biāo)是成為太空飛行器的動(dòng)力裝置。通過RTA項(xiàng)目，美國(guó)希望TBCC技術(shù)的成熟度達(dá)到6級(jí)，以滿足空天飛行器對(duì)TBCC的各項(xiàng)要求。

Falcon計(jì)劃旨在研制一種采用TBCC的高超聲速飛行器，燃料為JP-7煤油。該飛行器可自主起飛降落，借助渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)加速到馬赫數(shù)為4，隨后通過以液氫為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速到飛行馬赫數(shù)10以上。該計(jì)劃的總承包商為洛克希德馬丁公司，發(fā)動(dòng)機(jī)由普惠公司(Pratt & Whitney)研制。為了使渦輪和沖壓模態(tài)協(xié)調(diào)工作，對(duì)其中的可調(diào)進(jìn)氣道、軸對(duì)稱雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中的高效燃燒和可調(diào)尾噴管進(jìn)行了地面關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證工作。2007年，F(xiàn)alcon計(jì)劃完成了HTV-2關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃，并于2010年4月和2011年8月分別進(jìn)行了兩次試飛，但并未獲得成功。

Trijet項(xiàng)目將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭引射沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相結(jié)合，是一種新型的TBCC動(dòng)力裝置，解決了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)向雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)推力不足的問題。該項(xiàng)目的研制單位是航空噴氣公司(Aerojet)，項(xiàng)目中引入了先進(jìn)組合循環(huán)集成進(jìn)氣道和中心燃燒技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，被視為可重復(fù)使用高超聲速飛行器的最具潛力的動(dòng)力方案之一。

近年來，美國(guó)大幅提升高超聲速領(lǐng)域國(guó)防預(yù)算，推動(dòng)TBCC的研究及試驗(yàn)。2017年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)了先進(jìn)全速域發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，旨在驗(yàn)證TBCC動(dòng)力裝置從渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)到雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)化，計(jì)劃開展全尺寸自由射流地面試驗(yàn)[19]。

俄羅斯中央發(fā)動(dòng)機(jī)研究院在20世紀(jì)七八十年代就進(jìn)行了全尺寸的渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)，探索了并聯(lián)式和串聯(lián)式TBCC，針對(duì)不同的飛行器需求，優(yōu)化了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)方案，并開展飛行器與組合動(dòng)力一體化研究，旨在為兩級(jí)入軌飛行器MIGAKS研發(fā)先進(jìn)的渦輪沖壓組合動(dòng)力。此外，為俄羅斯海軍研制的Biryuza超聲速反艦導(dǎo)彈采用的就是渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的組合動(dòng)力[20]。

目前，歐洲正在研發(fā)的TBCC源于2005年制定的LAPCAT計(jì)劃。TBCC的研究采用預(yù)冷渦扇沖壓組合形式，目標(biāo)為氫燃料馬赫數(shù)5巡航，煤油燃料馬赫數(shù)4.5巡航的可重復(fù)使用飛行器，可載乘客200人～300人[21]。

日本從1989年開始實(shí)施Hypr 90計(jì)劃，其中的Hypr 90-C項(xiàng)目主要為了驗(yàn)證馬赫數(shù)在2.5～3之間渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)轉(zhuǎn)換的可行性。其渦扇部分進(jìn)行了地面、高空試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明其具有工程可實(shí)現(xiàn)性。此外，吸氣式渦輪沖壓膨脹循環(huán)(ATREX)項(xiàng)目由日本航空航天科學(xué)研究所聯(lián)合IHI等幾家公司共同開展，其發(fā)動(dòng)機(jī)可用作高超聲速飛行器或兩級(jí)入軌可往返式空天飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)[22]。

1.2 核聚變動(dòng)力推進(jìn)

核聚變動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)是通過在火箭上設(shè)置核聚變反應(yīng)堆，利用聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能噴氣產(chǎn)生推力的新型推進(jìn)技術(shù)。

核聚變反應(yīng)堆一般采用托克馬克裝置，燃料被限制在磁場(chǎng)中以驅(qū)動(dòng)核聚變。受限于裝置的較大質(zhì)量，目前尚難以應(yīng)用于火箭推進(jìn)。慣性約束核聚變作為聚變的另一種觸發(fā)方法，是通過高能激光束替代磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)核聚變推進(jìn)的一種可行路徑。

截至目前，美國(guó)空間推進(jìn)技術(shù)公司(MSNW)已經(jīng)完成核聚變推進(jìn)技術(shù)物理原理的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證工作，正在積極推進(jìn)其在2030年的應(yīng)用，表3給出了該公司對(duì)核聚變推進(jìn)技術(shù)的研究概況。

表3 核聚變推進(jìn)技術(shù)的研究概況[23]

1.3 離子推進(jìn)

離子推進(jìn)器是利用強(qiáng)大的電磁場(chǎng)使離子體加速，通過尾部噴出高速的離子束實(shí)現(xiàn)向前推進(jìn)。它所提供的推動(dòng)力相對(duì)較弱，但只要工作性能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，最終能把太空飛船的速度加速到足夠大。目前，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到日本的“隼鳥”太空探測(cè)器和歐洲的“智能1號(hào)”太空飛船上[24]。

可變比沖磁等離子體火箭(VASIMR)最有希望成為該類型推進(jìn)器技術(shù)在未來的代表，由美國(guó)艾德-阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket)研發(fā)，表4給出了該公司對(duì)離子推進(jìn)技術(shù)的研究概況。

表4 可變比沖磁等離子體火箭的研究概況[24]

國(guó)內(nèi)的實(shí)踐 9 號(hào)衛(wèi)星對(duì)多種電推進(jìn)技術(shù)方案的正確性、在軌工作性能、與航天器的相容性以及長(zhǎng)期在軌工作能力進(jìn)行了成功驗(yàn)證，我國(guó)全電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)初步具備在軌應(yīng)用能力。航天科技五院502所在2016年對(duì)外展示了新一代離子推進(jìn)裝置，可廣泛應(yīng)用于我國(guó)新一代全電推進(jìn)通信衛(wèi)星平臺(tái)，性價(jià)比、載荷比達(dá)到或略優(yōu)于國(guó)外同類衛(wèi)星水平[25]。

1.4 激光推進(jìn)

激光推進(jìn)通過拋物面反向鏡聚焦高能激光，將工作氣體加熱膨脹從而產(chǎn)生推力。

相比于廣泛應(yīng)用的化學(xué)推進(jìn)方法，激光推進(jìn)的顯著特點(diǎn)是無需攜帶燃料，飛行器在大氣層內(nèi)工作時(shí)，只需加熱空氣；飛出大氣層后，也只需要較少的工質(zhì)，從而有效降低發(fā)射單價(jià)，提高有效載荷(約15%以上)。激光推進(jìn)技術(shù)在近地軌道的小衛(wèi)星發(fā)射、太空碎片清除、衛(wèi)星姿控系統(tǒng)等方面都有廣闊的應(yīng)用前景。

激光推進(jìn)也存在一些尚未解決的難題：1)受現(xiàn)有激光器制作技術(shù)的約束，現(xiàn)有的激光器平均功率還較低，最高只能達(dá)到105W量級(jí)，很難將激光器功率大幅提高(需要106W量級(jí))；2)在大氣環(huán)境中，激光遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，受到大氣吸收、激光發(fā)散角等因素的影響，激光能量的損耗比較嚴(yán)重，光束質(zhì)量也會(huì)下降很多。

從20世紀(jì)60年代開始，激光推進(jìn)技術(shù)的良好應(yīng)用前景使美國(guó)、俄羅斯、德國(guó)等國(guó)開始了相關(guān)研究。

近年來，隨著強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，激光推進(jìn)技術(shù)的研究不斷涌現(xiàn)，表5分析了主要的研究方向。

表5 激光推進(jìn)技術(shù)的研究方向[26]

目前，美國(guó)、俄羅斯等已經(jīng)提出了激光推進(jìn)裝置的具體方案，開始了激光飛船的研制工作，并視之為優(yōu)先發(fā)展目標(biāo)。隨著對(duì)大功率激光器研制的持續(xù)投入，2020年后將有望采用激光推進(jìn)技術(shù)將百千克級(jí)的小衛(wèi)星送入軌道。

2012年12月，激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在裝備指揮技術(shù)學(xué)院揭牌成立，標(biāo)志著中國(guó)已邁出探索新型高效航空航天推進(jìn)技術(shù)研究的堅(jiān)實(shí)步伐。實(shí)驗(yàn)室主要開展激光推進(jìn)應(yīng)用基礎(chǔ)、等離子體流動(dòng)控制與推進(jìn)技術(shù)、推進(jìn)流場(chǎng)測(cè)試和診斷技術(shù)等方面的研究。

1.5 核子脈沖推進(jìn)

核子脈沖推進(jìn)技術(shù)的基本思想是在推進(jìn)火箭的尾部定期拋出一個(gè)核彈，以裂變反應(yīng)作為推動(dòng)力的來源。這一設(shè)想是1955年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署在代號(hào)為“獵戶座計(jì)劃”中提出的[27]。

該計(jì)劃的目標(biāo)是研究一種適合快速星際旅行的推進(jìn)方案，推進(jìn)火箭被設(shè)計(jì)成一個(gè)巨大的減震器，而且有厚重的輻射屏蔽用于保護(hù)乘客的安全。從理論上講，核彈動(dòng)力飛船速度可以達(dá)到10%的光速，以這樣的速度到達(dá)最近的恒星可能需要40a。由于此方案可能對(duì)大氣層造成嚴(yán)重的輻射問題，該計(jì)劃在20世紀(jì)60年代未能真正實(shí)施。

1.6 太陽帆推進(jìn)

太陽帆推進(jìn)通過在航天器上裝載面積大且質(zhì)量小的薄膜型太陽帆對(duì)太陽光進(jìn)行反射。由于光會(huì)對(duì)照射物體表面產(chǎn)生壓力作用，因而可以獲得源源不斷的推進(jìn)力。這一技術(shù)完全不需要消耗任何化學(xué)燃料和工作介質(zhì)，僅需太陽光即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離空間飛行。太陽帆在整個(gè)軌道上能夠獲得連續(xù)不斷的推力，令其持續(xù)加速，速度可達(dá)93km/s，這是目前最快航天器速度的5～7倍。

2010年11月，NASA發(fā)射了FASTSAT(快速、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)和技術(shù)衛(wèi)星)，通過衛(wèi)星上裝載的P-POD在軌衛(wèi)星彈射裝置，嘗試在近地軌道處釋放納米帆-D小型太陽帆航天器納米帆-D(Nano Sail-D)，2011年1月20日，納米帆-D成功與母星脫離，完成了面積為29.29m2的小型太陽帆展開，帆面展開過程僅耗時(shí)5s，成為首個(gè)進(jìn)入地球近地軌道飛行的太陽帆航天器[28]。

美國(guó)新千年計(jì)劃(NMP)太空技術(shù)5(ST5)任務(wù)設(shè)計(jì)了一種利用自旋穩(wěn)定的方形太陽帆航天器，該任務(wù)主要目的是對(duì)太陽活動(dòng)尤其是大型太陽風(fēng)暴進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，該計(jì)劃設(shè)計(jì)通過反作用噴管使太陽帆繞中心對(duì)稱軸自旋，依靠陀螺自旋的定軸穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)對(duì)日單軸穩(wěn)定定向[29]。

NMP太空技術(shù)7(ST7)飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種由4根從中心發(fā)散并展開的結(jié)構(gòu)支撐桿和4面等腰直角三角形太陽帆膜組成的太陽帆航天器，并提出可利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝有二軸萬向節(jié)的控制桿對(duì)航天器進(jìn)行姿態(tài)控制，這一構(gòu)形的太陽帆航天器是目前國(guó)內(nèi)外太陽帆研究的典型結(jié)構(gòu)[30]。

2010年5月，日本成功發(fā)射IKAROS小型太陽帆試驗(yàn)飛船，帆面由厚度僅為0.0075mm、質(zhì)量約15kg的聚酰亞胺樹脂制成，外形是一個(gè) 14m長(zhǎng)的正方形。目前，該飛船已飛過金星[31]。日本計(jì)劃在10a內(nèi)再發(fā)射一艘太陽帆飛船，將綜合太陽帆和離子推進(jìn)，并飛到木星[32]。

1.7 磁場(chǎng)帆推進(jìn)

磁場(chǎng)帆推進(jìn)裝置的推力由太陽風(fēng)提供，通過在飛行器周圍制造一個(gè)與太陽風(fēng)磁場(chǎng)相斥的磁場(chǎng)，利用排斥力推動(dòng)飛行器?！疤罩刖W(wǎng)”與之類似，通過在飛行器周圍制造一個(gè)帶正電的電網(wǎng)，利用電網(wǎng)與太陽風(fēng)中的大量陽離子之間的相斥作用來產(chǎn)生推力。磁場(chǎng)帆、“太空蛛網(wǎng)”均有使飛行器變軌甚至飛離行星際空間的潛在應(yīng)用前景。

與太陽帆推進(jìn)相同，磁場(chǎng)帆也不適合恒星之間的旅行：當(dāng)遠(yuǎn)離太陽時(shí)，太陽風(fēng)強(qiáng)度會(huì)急劇下降。

1.8 布薩德噴氣推進(jìn)

為實(shí)現(xiàn)更快、更遠(yuǎn)的目標(biāo)，火箭上必須攜帶更多的燃料，更多的燃料必然會(huì)增加火箭的質(zhì)量，進(jìn)而減小推進(jìn)力。物理學(xué)家羅伯特-布薩德在1960年提出了一種噴氣式引擎，旨在解決這一難題。

布薩德噴氣推進(jìn)與核聚變推進(jìn)的原理相同，但無需攜帶大量的核燃料。布薩德噴氣推進(jìn)先將太空中的氫物質(zhì)電離，然后利用強(qiáng)大磁場(chǎng)將這些氫離子吸收，并作為燃料。與核聚變推進(jìn)相比，布薩德噴氣推進(jìn)不需要攜帶反應(yīng)堆，但對(duì)磁場(chǎng)的要求是一個(gè)顯著問題：星際空間中氫物質(zhì)較少，因此需要足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度。此外，飛行器必須按既定軌道飛行,而這將增加星際返程的困難。目前,該推進(jìn)技術(shù)還停留在設(shè)想階段。

1.9 反物質(zhì)推進(jìn)

反物質(zhì)推進(jìn)被看作是恒星際航行中極有前途的方式，其原理是根據(jù)相對(duì)論能量定律，即物質(zhì)和能量不僅聯(lián)系，而且質(zhì)量和能量不可分割，質(zhì)量可以全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。由此，利用物質(zhì)-反物質(zhì)湮沒反應(yīng)能把質(zhì)量全部轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，因此最大限度地發(fā)揮了物質(zhì)的潛能。如正電子和電子結(jié)合湮沒產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)光子，質(zhì)子和反質(zhì)子結(jié)合湮沒產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)介子，這些帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下以極高的速度噴射，其噴氣速度等于或接近光速，從而產(chǎn)生推力。它發(fā)出的能量是核聚變能的300倍，而且“湮沒”效應(yīng)是自然發(fā)生的，不需要大而復(fù)雜的反應(yīng)堆設(shè)備。應(yīng)用反物質(zhì)發(fā)動(dòng)機(jī)把一艘質(zhì)量為1000kg的飛船加速到0.1倍光速，經(jīng)計(jì)算只需9000g反物質(zhì)燃料[35]。

目前，該推進(jìn)技術(shù)還停留在設(shè)想階段，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)尚未解決大量反物質(zhì)的生產(chǎn)和儲(chǔ)存問題。

2 工程應(yīng)用前景分析

綜合本文對(duì)組合動(dòng)力裝置、核聚變推進(jìn)動(dòng)力、離子推進(jìn)、激光推進(jìn)、核子脈沖推進(jìn)、太陽帆推進(jìn)、磁力帆推進(jìn)、布薩德噴氣推進(jìn)、反物質(zhì)推進(jìn)等先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的調(diào)研結(jié)果，表6從所處階段、研究基礎(chǔ)、技術(shù)限制等方面對(duì)各種先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)(或組合)的工程應(yīng)用前景進(jìn)行了分析，給出了總體評(píng)價(jià)，并對(duì)應(yīng)用前景相對(duì)較強(qiáng)的組合動(dòng)力裝置、核聚變動(dòng)力推進(jìn)、離子推進(jìn)裝進(jìn)行詳細(xì)分析。

表6 先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用前景分析

2.1 組合動(dòng)力裝置

組合動(dòng)力裝置可以充分發(fā)揮不同類型動(dòng)力裝置在各自工作范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)，具有工作范圍寬、平均比沖高的優(yōu)點(diǎn)，因此國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的數(shù)值仿真和地面、飛行試驗(yàn)研究，具有相對(duì)最高的可行性。近年來，在X-43A、X-51A的近10次飛行試驗(yàn)中，攻關(guān)并驗(yàn)證了氫燃料及碳?xì)淙剂系某曀偃紵?、發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)熱防護(hù)、氣動(dòng)/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)等前沿技術(shù)，為組合動(dòng)力裝置的應(yīng)用及突破奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)，組合動(dòng)力裝置一般將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)結(jié)合，近年來基于高超聲速飛行器、天地往返動(dòng)力裝置的應(yīng)用牽引，國(guó)外提出了多個(gè)富有創(chuàng)新性的技術(shù)方案路線，包括基于液化空氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的HOTOL空天飛機(jī)方案、基于吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合預(yù)冷組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)SABRE方案、高超聲速吸氣式武器概念等，創(chuàng)新性方案的提出推動(dòng)組合動(dòng)力裝置進(jìn)入到更加快速發(fā)展的階段。此外，我國(guó)也提出了基于高超聲速飛行器的組合動(dòng)力裝置方案，并已經(jīng)開展了多次飛行試驗(yàn)。

可以看出，組合動(dòng)力裝置具有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和豐富的實(shí)現(xiàn)手段，是目前可行性極強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣闊的先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)。

2.2 核聚變動(dòng)力推進(jìn)

核聚變動(dòng)力推進(jìn)受限于受控核聚變反應(yīng)的研究難題，短期內(nèi)無法應(yīng)用到推進(jìn)裝置的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。美國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了核聚變技術(shù)驅(qū)動(dòng)火箭的實(shí)驗(yàn)室原理性驗(yàn)證，并將其作為2030年火星載人計(jì)劃的可行方案之一，從而在約90d內(nèi)實(shí)現(xiàn)地球到火星的飛行。

可以看出，核聚變動(dòng)力推進(jìn)具有推力大、比沖高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在未來深空探測(cè)、載人宇宙飛行和空間運(yùn)輸中將具有豐富的應(yīng)用空間。

2.3 離子推進(jìn)

離子推進(jìn)作為電推進(jìn)技術(shù)的典型代表，具有高比沖、低成本、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。搭載離子推進(jìn)系統(tǒng)的美國(guó)黎明號(hào)在軌運(yùn)行已超過10a，并借助離子推進(jìn)系統(tǒng)到達(dá)了谷神星軌道。我國(guó)的離子推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)初步具備在軌應(yīng)用能力，新一代離子推進(jìn)裝置可廣泛應(yīng)用于通信衛(wèi)星平臺(tái)，并在持續(xù)優(yōu)化推進(jìn)裝置的性價(jià)比、載荷比等重要指標(biāo)。

可以看出，國(guó)內(nèi)外針對(duì)離子推進(jìn)裝置均進(jìn)行了大量研究，并在空間推進(jìn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，因此具有較強(qiáng)的可行性，如果推力進(jìn)一步提升，將有望得到更為廣泛的應(yīng)用。

3 國(guó)外研制對(duì)我國(guó)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的啟示

(1)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義，需要明確長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展路線

傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)火箭在功能性、安全性和可靠性上尚能滿足現(xiàn)有的發(fā)射任務(wù)，但在適應(yīng)未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)載能力、發(fā)射成本及周期的要求等特定層面需求上仍存在一定不足。

鑒于此，國(guó)外從20世紀(jì)60年代開始就通過可重復(fù)使用航天運(yùn)輸計(jì)劃、航天運(yùn)輸班機(jī)計(jì)劃等進(jìn)行持續(xù)牽引，開展了組合動(dòng)力裝置、核聚變動(dòng)力推進(jìn)、離子推進(jìn)等為代表的多項(xiàng)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的研究。先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的前瞻性和復(fù)雜性導(dǎo)致其研究周期很長(zhǎng)。分析國(guó)外的研制歷程，政府、軍方在確認(rèn)研究的應(yīng)用前景后，均制定了包括概念設(shè)想、方案設(shè)計(jì)、地面試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)等在內(nèi)的全周期研制流程發(fā)展路線圖。通過多個(gè)項(xiàng)目對(duì)特定領(lǐng)域的研究進(jìn)行了跨代的持續(xù)支持，充分利用了早期堅(jiān)實(shí)的理論研究基礎(chǔ)，并通過試驗(yàn)不斷加深認(rèn)識(shí)，從而使得眾多項(xiàng)目由最初的概念設(shè)想直至多次飛行(搭載)試驗(yàn)的成功驗(yàn)證，收到了良好的效果。因此，我國(guó)在先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的研究中，需要建立長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，明確發(fā)展路線，從而推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的漸進(jìn)突破。

(2)強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)研究、地面試驗(yàn)與研究性飛行試驗(yàn)結(jié)合的方式逐步推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)復(fù)雜程度高、難度大。以組合動(dòng)力裝置為例，涉及氣動(dòng)/推進(jìn)一體化、高效熱防護(hù)、輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與材料、超聲速燃燒、大范圍變工況火箭、高速渦輪等多項(xiàng)前沿技術(shù)。雖然美國(guó)目前的某些項(xiàng)目前景并不明朗，甚至一些項(xiàng)目試驗(yàn)經(jīng)歷了失敗。但飛行器在試飛中已經(jīng)得到了不斷改進(jìn)，并且積累了大量數(shù)據(jù)和寶貴經(jīng)驗(yàn)。NASP計(jì)劃之后，美國(guó)更加注重關(guān)鍵技術(shù)的研究和突破，X-43A的3次飛行驗(yàn)證了氣動(dòng)/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)、氫燃料超聲速燃燒等關(guān)鍵技術(shù)；X-51A的4次飛行驗(yàn)證了碳?xì)淙剂铣曀偃紵l(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)熱防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，為組合動(dòng)力技術(shù)的突破和應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。通過各次飛行試驗(yàn)的逐步遞進(jìn)，推動(dòng)了部分關(guān)鍵技術(shù)的突破。

(3)借鑒美國(guó)在研究過程中的經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化CFD在技術(shù)發(fā)展中的作用

美國(guó)對(duì)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)可以作為我們研究的良好借鑒和指導(dǎo)。以組合動(dòng)力裝置的研究為例，考慮到地面及飛行試驗(yàn)的復(fù)雜性，美國(guó)在組合動(dòng)力飛行器試驗(yàn)的同時(shí)開展了大量CFD仿真計(jì)算，通過對(duì)高超聲速條件下的燃燒機(jī)理進(jìn)行大量CFD研究，給出了燃燒室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，從而進(jìn)一步指導(dǎo)燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)方案。考慮到我國(guó)在先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，也應(yīng)該進(jìn)一步強(qiáng)化CFD技術(shù)的作用，以此輔助和推動(dòng)先進(jìn)推進(jìn)裝置系統(tǒng)方案的深入研究。

(4)以工程應(yīng)用為強(qiáng)力牽引，不斷提升先進(jìn)推進(jìn)方案的技術(shù)成熟度

當(dāng)前，以美國(guó)為代表的各國(guó)以載人火星任務(wù)、快速星際旅行、航天運(yùn)輸班機(jī)化、可重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)等應(yīng)用背景為牽引，競(jìng)相開展多個(gè)先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)的方案及試驗(yàn)研究。以組合動(dòng)力裝置與高超聲速飛行器相結(jié)合的研制為例，該技術(shù)的基本原理清晰，地面試驗(yàn)及飛行驗(yàn)證基礎(chǔ)較好，在發(fā)射成本、發(fā)射周期、重復(fù)使用、多次往返等應(yīng)用領(lǐng)域有著良好前景，對(duì)未來軍事發(fā)展戰(zhàn)略、空間技術(shù)乃至武器體系產(chǎn)生重大影響，因此獲得了國(guó)外政府及軍方的強(qiáng)力牽引和持續(xù)支持；在該技術(shù)的研究中，不同國(guó)家根據(jù)技術(shù)儲(chǔ)備選擇了不同的發(fā)展路線，但均以實(shí)際工程應(yīng)用為目標(biāo)，不斷提升關(guān)鍵技術(shù)成熟度。依托組合動(dòng)力循環(huán)技術(shù)、核聚變動(dòng)力推進(jìn)、離子推進(jìn)等先進(jìn)技術(shù)的工程應(yīng)用背景，有助于明確清晰的研制目標(biāo)并制定詳盡的研制計(jì)劃和時(shí)間表，從而牽引各方案技術(shù)成熟度的持續(xù)提升，最終實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。