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军事观察:航天推进新技术开拓太空新时代

http://jczs.sina.com.cn 2005年06月22日 14:01 解放军报

  周新心 武晓鹏

  5月24日,美国宇航局宣布,1977年发射的“旅行者”1号飞船携带着录有55种语言和90分钟音乐集锦的磁碟及刻着各种几何图案的“地球名片”,已飞出了太阳系的激波边界,成为第一个进入太阳系外空间的人造航天器。在这次具有历史意义的航行中,“旅行者”1号飞船在近28年内飞距太阳140亿公里,采用新型推进技术进行多次轨道机动和姿态保持是保
证整个飞行任务的关键。

  着眼未来发展——推进航天技术新变革

  传统推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术,主要是指液体和固体化学推进。从1926年美国人戈达德研制成以液氧/汽油为推进剂的液体火箭发动机至今,化学推进已经有近80年的发展历史,目前其理论体系和应用技术基本成熟,发射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特点是可以提供大推力,一直以来是航天领域使用最多的推进技术,而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。

  新世纪以来,随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展,各国竞相出台新太空政策,人类又掀起了新一轮以深空探测为标志的太空探索热潮,而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测的需要。它最主要的不足是能量密度低,目前单纯依靠化学推进来提高喷气速度加速航天器的方法,已经接近了极限。由于能量密度低,利用化学推进需要携带大量的燃料。目前液体和固体火箭发动机所携带的燃料,要占到总重量的90%以上,而有效载荷只占1%~1.5%,将1千克的载荷送入轨道的费用达上万美元。同时,现在的运载工具需要有2~3级火箭持续加速才能将航天器送入轨道,这样就导致了化学推进效费比低、系统可靠性降低等。化学推进需要消耗大量燃料,且不能将航天器加速到足够的速度,这是无法满足深空探测要求的。

  新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的,是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推进的非化学推进。目前,世界各国正在竞相研究各种新型推进技术,以满足未来太空探索的需要。

  激光推进——把航天器“照”入太空

  激光推进是航天器接受远距离发射出的高能激光,利用抛物面反向镜聚焦,加热工作气体并使气体热膨胀产生推力推动航天器前进的新型推进技术。

  与传统的化学推进相比,激光推进最突出的优点是不需携带燃料,航天器在大气层中飞行时,只需对空气加热,穿越大气层后,只需少量工作物质即可工作,这样就可以把运载工具的有效载荷提高到15%以上,发射费用降低到每千克数百美元左右。自20世纪60年代初期出现激光器以来,由于激光推进巨大的潜在优势,美国、俄罗斯、德国等发达国家联合攻关,在激光推进领域进行了不懈的努力。20世纪90年代以来,随着小卫星技术和强激光技术的进一步发展,激光推进研究又掀起了热潮。目前美、俄等国已经提出并制造出了激光光船,并把激光推进作为发展运载工具优先考虑的目标。据预测,如果新一代大功率激光器的研制能够取得突破,到2015年前后,利用激光推进系统可将数百千克的小卫星送入轨道。

  微波推进——把能量传给航天器

  微波推进技术是一种新颖的推进方式,主要依赖于微波发生器产生的微波能量提供推进器所需能源。微波推进器既可使用内部集成的微波源,也可使用外部微波源,同时也可能使用远距离微波束来传递能量。

  与激光推进类似,依靠远距离传输的微波能提供航天器的能源时,微波推进具有较为鲜明的特点。由于能源供给系统与航天器分离,将极大简化航天器结构,增强安全可靠性。微波推进在使用寿命、性能、效率和推进剂选择等方面都具有显著优点。微波推进使用低推力发动机,适合用作空间动力,进行航天器的轨道转移、姿态控制、位置保持、对接交会和星际航行。尽管目前微波推进仍处于理论探索与实验研究阶段,但研究结果表明,它是前景十分诱人的新型空间动力系统。

  电推进——自给自足自动补充

  电推进是由太阳能或核能经转换装置获得电能,利用电能加热推进剂或电离推进剂加速工质,使其形成高速射流喷出而产生推力推进航天器飞行。“旅行者”1号飞船在飞行过程中的轨道机动和姿态调整就是利用电推进技术实现的。

  近年来,日益兴盛的小卫星、微卫星和微型行星探测器要求星上的推进系统质量更轻、体积更小和效率更高,电推进具有比冲高、推力小、寿命长等特点。特别适用于各类航天器的姿态控制、轨道修正、轨道转移、动力补偿等任务。电推进最主要的优点是航天器发射入轨后,无需再为其补充能量。当航天器有太阳光照射时,利用太阳能电池产生能量,当长时间背离太阳时,利用放射性同位素衰变产生能量。电推进在上世纪六七十年代就已经研制成功,技术上达到了相当的水平,目前已经发射的航天器使用电推进的总数已达200多个。电推进作为主推进和轨道保持的研制受到了世界许多国家的重视,它是未来推进技术发展的一个重要方向。

  核能推进——把核反应堆搬上太空

  核能推进是利用核反应产生的能量加热工质或产生等离子体高速喷射产生推力。从理论上讲,原子核反应的能量密度是化学反应能量密度的上百万倍,这种高能量密度使核能推进成为大推进技术的理想选择。

  早在20世纪60年代,美国就制定了利用核能制造大型航天运载工具的研究。虽然反应堆的尺寸、重量和形式都适合于运载火箭,但研究发现除了昂贵的投资经费外,主要是因为核火箭发动机的喷气射流严重污染发射台设备及其周围环境,所以这种核推进系统还不会用于运载火箭第一级的动力,至今无法实际应用。但由于核火箭发动机的大功率、高效率,如果用于大气层外火箭飞行,很适合于行星际探测任务。2003年1月,美国制订的新太空政策中提出了利用核动力推进太空船探索火星的“普罗米修斯计划”,大力加强了核能推进的研究。同样,欲发展地面先进的、大推力、高推重比且可用于单级入轨的大型运载系统,应优先考虑发展核能推进技术。

  光压推进——航天器“乘”光前进

  如同帆船能乘风前进一样,航天器也可以乘着光前进。光压推进就是利用太阳光及其它粒子流照射在展开的反射帆上,提供足够的动力驱动航天器飞行。

  光的辐射压效应在太空中表现的十分明显,是目前设计高轨道航天器和行星探测器必须考虑的因素。作为光压推进最简单的例子就是太阳帆,如同把一面镜子放在太空,它自己就会受到太阳光压而前进。以这种形式的光压推进将主要用在深空探测器的姿态修正上,它的最大优点是不需要任何动力,理论上讲只要太阳不熄灭,就可以提供持续的动力来加速航天器。目前有报道称,美国太空系统研发人员已在真空室中部署了20平方米的太阳帆,并能够控制其运动,日本也已在太空部署了两个太阳帆进行实验。

  反物质推进——物质湮没能量剧增

  星际航行是人类征服太空的最大梦想。用目前最先进的推进技术所能达到的最高速度20千米/秒来航行可以飞出太阳系,但不等于恒星际飞行。以这个速度航行到离我们最近的恒星半人马座α星需要6万多年。所以说,恒星际航行必须使宇宙飞船以接近光速的速度航行,这样到达半人马座α星共需4.5年。要达到接近光的速度则必须把火箭的喷气速度加速到接近光的速度才行。

  反物质推进被看作是恒星际航行中极有前途的方式。根据著名的爱因斯坦相对论能量定律,物质和能量不仅是联系着的,而且质量和能量是不可分割的,质量可以全部转化为动能。由此利用物质——反物质湮没反应能把质量全部转变成动能,因此最大限度地发挥了物质的潜能。如正电子和电子结合湮没产生两个或多个γ射线(光子),质子和反质子结合湮没产生两个或多个介子,这些带电粒子在强电场作用下以极高的速度喷射,其喷气速度等于或接近光速,从而产生推力。它发出的能量是核聚变能的300倍,而且“湮没”效应是自然发生的,不需要大而复杂的反应堆设备。应用反物质发动机把一艘质量为1000千克的飞船加速到0.1倍光速,经计算只需9000克的反物质“燃料”。然而目前的问题是,现代科学技术尚未解决大量反物质的生产和储存问题。所以用这种推进技术实现恒星际航行,也许还需要上百年的时间。


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