航天器獲得動力的新方法探跡

隨著科學技術的高速發展，人類乘坐航天器遨游太空已不再是天方夜潭。前不久中央電視臺報道，個人只要具備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力，使其能長久地在太空中穿梭是現代航天科技的一個重要研究課題。始至今日火箭推進器仍然是人類探索太空的主要動力來源。拿發射同步衛星來說，一般不采用普通衛星的直接發射方法，而是采用變軌道發射。首先，利用第一級火箭將衛星送到180~200km的高空，然后依靠慣性進入圓停泊軌道。當到達赤道上空時，第二、三級火箭點火，衛星進入位于赤道平面內的橢圓轉移軌道，且軌道的遠地點為35 800km，與同步軌道相切。當到遠地點時，衛星啟動發動機，然后改變方向進入同步軌道。但這種化學燃料火箭實在是太慢了，它們在每次飛行開始時就燃燒完所有的推進劑，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世紀。更糟的是，目前的化學燃料火箭有效載荷比很低。如果使用化學燃料火箭，即使以所需要能量最小的軌道來計算。發射一個負載6人的團體從地球到火星，發射火箭總重量也將超過1000t，其中90％是燃料，單是燃料本身，就是整個國際空間站重量的兩倍。可見，遠途長時間的太空旅行，攜帶能源上天不是個好辦法。現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。最理想的能源當然是能夠在空間里不斷取得補充的能源。

1 太陽帆推進器

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

根據量子理論，光子不但有動能，還有動量，其計算式為p=h／λ，其中h是普朗克常量，λ是光子波長。既然光子有動量，那么光照到物體表面，光子被吸收或反射時，光都會對物體產生壓強，這就是“光壓”。那么光壓有多大呢?

一臺二氧化碳氣體激光器發生的激光功率為P_o=1 000W，射出的光束的橫截面積為S=1．00mm²，當它垂直照射到某一物體表面并且被全部反射時，對該物體產生的光壓最大將是多大?我們可以計算得出來。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量之間的關系為E=pc。設時間t內激光器射出的光子數為n，每個光子的能量為E，動量為p，激光照到物體上后全部被反射，這時激光對物體產生的光壓最大。設這個壓強為p′，則功率P₀t=nE=npc，壓力F_t=-n·(2p)，激光對物體表面所產生的壓強為p′=F／S=2p₀/Sc=2×10³／(3×10⁸×10^-6) Pa=6．7Pa。

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

同理可得太陽光對探測器表面所產生的壓強為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，光壓推動航天探測器的加速度雖然很小，但通過長時間加速也能得到可觀的速度增量，這對遠距離的太空探測來說是可行的。

實際上，太陽帆推進器也是真實可行的，莫斯科時間2001年7月20日4時31分，俄羅斯成功地發射了“宇宙1號”航天器，該航天器是世界上首次使用太陽帆作為動力裝置的航天器。

“宇宙1號”航天器在運載火箭推動下，進入遠地點約1 200km的太空預定軌道后，按預設程序拋棄保護罩，并緩緩地綻開兩個花瓣狀、總直徑約26m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，按預定計劃返回。這次成功的試驗飛行證明，利用太陽光壓提供的推力，可以使飛船在太空中航行。

美國也在進行太陽帆航天器的研究，并為選擇太陽帆的制造材料進行了大量測試工作，美國航天局預計，2010年成行的太陽帆航天器將歷經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離太陽的方向，故存在很大的局限性。而下面幾種推進器不存在上述的局限。

2 質子、離子推進器

人造衛星沿圓軌道環繞地球運動，因為大氣阻力的作用，其運動的高度將逐漸降低。雖然高度變化很慢，但經過一定時間后會偏離原來軌道，必須利用發動機向后噴出質子或離子流，對衛星產生微小的推力來糾正衛星的軌道或姿態。

“離子發動機”是一種新型的宇宙飛船用的發動機，其原理是將無色無味的惰性氣體充滿一個由磁場環繞并有電子束通過的倉室，電子撞擊氣體原子，撞掉一個外層電子，使中性的原子變成帶正電的離子，這些氣體離子由靜止經加速，帶有上萬個微孔的電網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，使引擎加速進入太空，由此產生推力。由于單位時間內噴出的氣體離子質量很小，飛船得到的加速度將非常小，但經過足夠長時間的加速，同樣可以得到很大的速度。

如果飛船的質量m為3．0×10²kg，氣體離子的荷質比(電荷量與質量之比)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，氣體離子噴出時的速度v為3．0×10⁴m／s，那么使飛船產生的加速度的大小可計算如下：

設離子噴出時對飛船的作用力為F，在極短時間Δt內噴出的離子電量為q，則對Δt內噴出的離子應用動量定理，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，代入具體數據得a=9．0×10^-5m／s²。

離子推進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”探測器。2001年9月，這只由太陽能電力推動的小型空間技術測試器飛過哈雷慧星，并拍攝完成了多張照片。驅動“深空1號”離子推進器的效能大約是化學燃料火箭效能的10倍。

3 彈弓效應

當空間探測器從行星周圍繞過時，由于行星的引力作用，可以使探測器的運動速率增大，這種現象被稱之為“彈弓效應”。在航天技術中，“彈弓效應”是用來增大人造小天體運動速率的一種有效方法。

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

根據系統動量和動能守恒，且以v₀方向為負方向，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，說明其速度會增大。

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

m=150kg，相對于太陽迎向土星的速率v₀=10．4km／s，則由于“彈弓效應”，該探測器繞過土星后相對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”增大速度還是有條件的。若探測器飛向行星時的速度v₀與行星的速度u₀同方向時，為了使探測器能追上行星并繞過行星，應該v₀＞u₀，由上式可得v=（v₀-2u₀）＜v₀，即不能使探測器速率增加。

4 等離子體帆推進器

等離子體帆是從地球自身的磁場獲得啟示而設計的。強大的帆上電磁體能在飛船周圍形成一個直徑為15km或20km的地球磁場泡。太陽風中的高速帶電粒子會推動磁泡，就像它們推動地球磁場一樣。在這樣的推動下，地球不會移動，因為地球質量太大，但宇宙飛船或飛行器卻會被逐漸推離太陽。另一個好處是：正如地球磁場能保護地球免遭太陽磁爆和輻射的侵襲，磁等離子體帆也能保護飛船上乘員。

當然沒有哪一種推進技術能面面俱到。為了把人類送上別的行星，多種技術的綜合運用——混合推進技術飛行將是十分經濟的。可能會這樣進行：用化學燃料火箭使飛船升空；一旦進入近地軌道，離子推進艙即被點燃，或者可能由地面控制站打開一張太陽帆或等離子體帆，在6到12個月中，飛船漸漸飛離地球，利用“彈弓效應”緩緩地卻不斷地加速，最終進入離地軌道。在這段時間里，飛船上不會載人，這是為了避免地球的輻射帶對飛船乘員造成的傷害。接下來機組人員才會乘坐高速太空車前往飛船。等機組人員進入飛船后，一枚小型化學燃料火箭即被點燃，它能把飛船立即加速到逃逸速度，然后飛船直奔目標方向而去。

(欄目編輯鄧 磊)