登陸火星飛船“推進系統”的遴選及其物理學性能

宋知沆劉玉穎（中國農業大學工學院農業工程系，北京 00083；中國農業大學理學院應用物理系，北京 00083）

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登陸火星飛船“推進系統”的遴選及其物理學性能

宋知沆1劉玉穎2
（1中國農業大學工學院農業工程系，北京 100083；2中國農業大學理學院應用物理系，北京 100083）

摘 要以美國為首的火星登陸計劃正受到越來越多的關注．“火星之旅”中關鍵環節是順利將人類送抵火星．對于火星探測載人飛船，整個飛行過程中需要突破的關鍵性技術之一是飛船推進系統．文章介紹幾種目前在此項目中被廣泛接受的飛船推進系統，從物理學原理角度分析飛船推進過程中軌道選擇等問題，對幾種飛船推進系統及其物理學參數進行了全面的比較和分析，以及飛船推進系統的最佳選擇等，以饗讀者．

關鍵詞火星登陸；推進器；可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR）；核動力；無工質微波推力器

“火星登陸”計劃影響到天文學、物理學等眾多學科的發展，甚至關乎人類的長久生存及文明的延續，“火星之旅”的關鍵環節是將人類順利送抵火星．為了提高效率、降低事故發生的可能性，NASA（National Aeronautics and Space Administration）等機構一直仔細審視著此項計劃中的每一細節．載人飛船上的推進系統需要經過精挑細選和精心調試，保證能在最大效率下以最快最安全的方式完成任務．

1 飛船推進系統的選擇

對于火星探測載人飛船，整個飛行過程中需要關鍵性技術突破的有兩部分：飛船推進系統和自主導航系統．本文只討論飛船推進過程中的細節．

1．1 發射時機與軌道選擇相關問題

大眾對登陸火星的理解停留在“我們只需要向數億千米外的火星發射一支火箭即可，只要技術成熟了，隨時都可以出發”的狀態．事實上，火星和地球到達某一相對位置時才能發射火箭，要保證運載火箭在太空中航行距離最短、使用燃料最少．航行距離每增加一點，就意味著火箭要攜帶更多的燃料和供給宇航員生活的物資，飛行距離與飛行時間成正相關關系，距離增大意味著飛船、宇航員會更長時間地暴露在高能、危險、未知的宇宙射線之下，發生意外事故的可能性大大增加，威脅到宇航員的生命安全．

基于上述原因，飛船發射時機、發射窗口的選擇尤為重要．目前公認的“最佳航道”是奧地利科學家霍曼于1925年提出的一條既與地球軌道外切又與火星軌道內切的“霍曼軌道”（見圖1）．該軌道以太陽為一個焦點，近日點和遠日點分別位于地球軌道和火星軌道上，軌道的長軸等于地球軌道半徑與火星軌道半徑之和．地球與火星距離最近的時刻為太陽、地球、火星三者一線，稱為“相沖”，每兩次相沖的時間間隔叫會合周期，約為780天［1］．每一個會合周期內，只有一次機會按照“霍曼軌道”發射火箭，由于飛行器速度的限制，當飛船航行到火星附近時，火星與地球之間已經發生較大的相對位移，所以軌道允許進行小幅度的調整，發射時機需有一個確定的時間范圍，若錯過了這個發射時間范圍，只能等待下一個會合周期．

圖1　霍曼軌道

1．2 對候選推進器的要求

發射窗口和軌道確定后，進一步分析飛船所需的推進器．以經典“霍曼軌道”為例，它形似一個巨大的橢圓，火箭發射時，要克服地球引力并在短時間內達到至少第二宇宙速度，火箭上需要推力較大的液態燃料，并采用多級火箭推進技術及時將火箭空殼棄置太空．“霍曼軌道”除兩端之外，中間部分的航道曲率很小，但又并非直線，航天器需要推力不必太大但必須能夠在一定范圍內對推進功率進行調整的推進器，用來對航行軌道進行精確微調；同時，要盡量加快飛行速度，它的最大推力和功率不能過小；極有可能的候選者是現代新興的電推進技術．在靠近火星時需要及時減速并調整軌道來準確捕獲火星或其衛星，此時大功率推進器會派上用場，候選者中會包含較為節約燃料并有可能在火星上繼續生產燃料的核動力推進器，還要根據后續的具體性能與參數分析來判斷其是否為最佳選擇．

綜上，航行過程中所需要解決的軌道規劃與發射窗口問題已經基本明確，對飛船推進系統的要求也有了定性的認識：即飛船推進系統具有動力持久、推力可控且足夠大、燃料獲取方便、質量盡量小且比沖（Specific impulse）盡量大等特點．下文根據實際情況分析各種推進系統的物理性能并進行綜合對比．

2 具有潛力的推進系統候選者

2．1 液態／固態燃料化學火箭

液態／固態燃料化學火箭，是目前世界各國在火箭發射過程中別無他選的推進器，也是目前核動力火箭欠發達情況下用于達到第二宇宙速度的最佳選擇．各國研制的燃料化學火箭的相關性能指標和形態參數都相差不大，除宇宙神－5之外，還有歐洲太空局（European Space Agency）研制的阿里安－5系列運載火箭；日本研制的H－2A運載火箭；美國研制的德爾塔－4運載火箭；以及經NASA研制且在2015年3月11日才進行了試驗的新型運載火箭——“太空發射系統”（Space Launch System）等．本文將以美國宇宙神－5系列運載火箭為代表進行介紹．

重型運載火箭—宇宙神－5（Atlas V）是較為理想的候選者．該運載火箭系統目前由美國洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin Corporation）和波音公司（Boeing Company）共同研制，航空噴氣公司（Aerojet Corporation）負責對其固態輔助火箭的研發和制造［2］．宇宙神－5系列火箭包含400系列和500系列，這個三位數中，左數第一位表示整流罩的直徑（單位：m），例如“4”表示此款火箭的整流罩的直徑為4m；第二位數表示公用芯級捆綁的固體推進器的數量［3］；第三位表示半人馬座上面級發動機的數量［3］．此外，宇宙神－5系列中還含有新研發的宇宙神5H重型運載火箭．

宇宙神－5第一級由液態氧和煤油組成燃料，發動機為俄羅斯生產的RD－180火箭發動機，無節流狀態下的真空推力可以達到約4．14×106N（注：無節流狀態下的真空推力，主要指在真空環境下，火箭發動機噴口處或燃料輸送管道等裝置中的節流閥幾乎不產生節流效應時，發動機所能提供的推力，近似等同于“真空下最大推力”．節流（效應），指流體在管道中流動突然遇到較窄截面時導致的壓力下降的現象．工程上常常利用節流效應控制流體工質的壓強、流速等參數以達到相應的技術要求．火箭推進器中，節流效應多被用于實現推力可調功能，主要以提高系統穩定性、靈活性和經濟性為目的，例如調節燃料各組分的混合比或調節推力室中燃料的流量以實現火箭推力在不同航段和不同環境下的調整．），真空比沖約為3300m·s－1（注：比沖，單位質量的推進劑所能帶來的沖量，單位：m·s－1或N·s·kg－1．真空比沖即為在真空下測得的發動機比沖）；第二級是以液態氧和液態氫為燃料的半人馬座火箭，其上面級使用1－2臺普拉特·惠特尼公司負責研制的RL10A－4－2液氫液氧發動機［3］，平均每臺發動機的推力達到約105N，真空比沖超過4000m·s－1．宇宙神系列運載火箭的部分衍生型加裝有捆綁式固態輔助火箭來提高有效載荷和起飛推力［2］，隨著捆綁固體助推器數量的增加，火箭最大動壓①和GTO②有效載荷都隨之大幅提高（注：①動壓（Dynamic Pressure），物體在流體中運動時，在正對流體運動的方向的表面流體完全受阻，此處的流體速度為零，其動能轉變為壓力能，壓力增大，其壓力稱為全受阻壓力簡稱全壓或總壓，用P表示，它與未受擾動處的壓力即靜壓，用P靜表示之差，稱為動壓用P動表示．現有火箭推進器常采用RBCC系統（Rocket－Based Combined Cycle，火箭基組合循環推進系統）．該推進系統是火箭發動機與吸氣式發動機的集成，是這兩類發動機組合成的一體化推進系統，為保證吸氣系統的穩定工作，常常需要進行等動壓爬升，此時需要火箭進行一定的姿態調整，因此火箭的流體力學性能指標中的動壓相關參數顯得尤為重要．而根據動壓的定義和計算公式，火箭的最大動壓這一參數體現了火箭的最大速度和克服阻力的能力．②地球同步轉移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO），是霍曼轉移軌道的運用之一，為橢圓形軌道，飛船在遠地點經過加速后可達地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）．近地點多在1000km以下，遠地點則為地球靜止軌道高度36000km．這種軌道常常用于發射地球同步衛星．捆綁固體助推器的數量由1增加到5時，GTO有效載荷能力由約5．4×104N增加到約8．7×104N［4］，宇宙神－5HLV的GTO有效載荷達到約1．32×105N［5］．宇宙神－5各常見系列的各級推進器的外在特性見表1［5］．可見，宇宙神－5運載火箭系統有著推力大、加掛輔助固體推進器方便靈活、比沖較大、系統可靠性高、燃料常見且易于制備的關鍵性優點，但同時也有著推進總時間較短、推進功率幾乎不可調、質量及體積龐大的缺點．

2．2 VASIMR（可變比沖磁等離子體火箭）

VASIMR在當前并非家喻戶曉，但在航天學界被認為是奔向火星的必選推進器之一．它的原初構想由其設計師——前NASA航天員張福林（Franklin Chang Díaz）提出．張福林曾斷言，在VASIMR的幫助下，前往火星的航行用時可以縮短至39天．

VASIMR全稱Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket——可變比沖磁等離子火箭．與傳統化學火箭不同，其原理是將氫、氦等“燃料”加熱至上千萬攝氏度的高溫而形成等離子體，之后被特定磁場約束并加速后由發動機噴出而產生推力，理論上噴出的離子線速度可達3× 105m·s－1［6］，幾乎是化學燃料火箭的近60倍，而且可以改變該推進器比沖的大小，這樣方便對航行軌道進行更精確的微調，縮短航行時間的同時更加節省燃料．VASIMR的核心推進部件可大致分為3部分：（1）螺旋波等離子體源；（2）離子回旋共振加熱級（ICRH，Ion Cyclotron Resonance Heating）；（3）磁鏡約束下的磁噴嘴．其中，第一部分利用導線繞制成的天線與磁化等離子體中的右旋極化螺旋波共振［6］，共振過程中由于朗道阻尼的存在，螺旋波中的能量被等離子體吸收，因而能夠產生高溫、高能量、高密度的等離子體源（注：朗道阻尼，由蘇聯物理學家列夫·達維多維奇·朗道提出．指一種粒子和波相互作用使波的振幅減小的現象．在應用中，科學家經常利用這樣的特性通過特定的波給粒子傳遞能量．）．第二部分的離子回旋共振加熱級在接收到第一部分的等離子體后通過射頻的方法進一步大幅加熱等離子體并使之按照特定磁力線的約束加速螺旋行進；高溫高速的等離子體到達第三部分的磁噴嘴后被磁場改變速度方向，使之沿著噴口反方向加速，并最終噴出而離開火箭，根據動量守恒原理，火箭將獲得與噴出物質等大反向的動量，于是飛船得以加速．

表1　“宇宙神－5”各級段外形及質量參數

使用性能方面，VASIMR的相關參數已列于表2［6］中．可以看出，VASIMR的主要優點包含：（1）效率高，“功率推力比”較高，這點在深空航行時至關重要——高效率意味著更少量的能源浪費、更高的成功率；（2）質量相對較小，航天器可以同時攜帶多個推進器，可以進行多方位、多角度推進，軌道控制更加精確；如果某一個推進器出現故障，還有進行替換并繼續工作的機會；（3）比沖可調范圍相當大，在高推力、低比沖模式下，飛船可以產生最大加速度，有利于姿態和航道的調整，而在低推力、高比沖模式下，飛船可以長時間持續工作并加速，以達到縮短航時的目的．

VASIMR的缺點：（1）推力較小，其推力與化學火箭相比已不在同一數量級，一艘飛船上決不能只裝載這一種推進器，要擺脫地球引力達到第二宇宙速度，僅靠VASIMR是無法完成的；（2）耗電量巨大，一臺現有VASIMR在滿負荷工作時的功率可達到107W數量級，而一座國際空間站的耗電量僅為數百千瓦，現有的空間太陽能電池技術很難具有此產能效率，在前往火星的過程中太陽的照射強度逐漸減弱，供電量更是無法滿足要求，面對如此大的耗能水平，幾乎只能把希望寄托于核能．

表2　VASIMR性能參數

2．3 核動力推進器

飛往火星的旅途中，太空供給人類可利用的能量微乎其微，飛船若攜帶供應半年能量的電池，體積和質量未免過于龐大，在此需要一種能量密度足夠大的儲能技術或產能技術．核能——這是愛因斯坦質能方程E＝mc2給人們帶來的啟示．

現在空間推進技術中，離不開動量守恒定律．例如推進器工作分為兩步：（1）將特定工質“抬升”到高能狀態，此過程耗能最大；（2）經過特定的通道噴出，實現“動量交換”．核動力推進器包含兩種能量轉換方式：核－電、核－熱，能量來源包括核裂變和核聚變，目前人們可控制的主要是核裂變過程．

核動力航天器的研究始于20世紀50年代，美國于1955年啟動ROVER計劃，以大型洲際彈道導彈為應用背景，研制大型核熱火箭發動機．在此計劃期間，共進行了14種不同系列的反應堆和發動機部件的實驗，核熱功率范圍從500W至5000MW，相當于推力范圍自102N至106N［7］，為后續的研究奠定了數據和經驗基礎．NASA曾編制的載人火星探索設計參考架構（Human Exploration of Mars Design Reference Architecture，DRA）5．0中，核動力火箭發動機被推薦為地球火星轉移飛船主動力方案［8］．本世紀初，兆瓦功率級的核反應電源構想應運而生．“普羅米修斯”工程的核心——JIMO，它原本用于探索木星的衛星，該衛星的能源來源于一個550kW的核反應堆和一個2kW的太陽能電池板［9］．亦可將本文上述VASIMR與核反應能源配合使用，3－5個VASIMR發動機的運行功率大致為106W數量級，根據NASA的估算，飛船搭載5個VASIMR，自重600噸的情況下，若核反應堆能保證VASIMR全程的能量供給，飛船到達火星只需要39天［9］．

核電池技術具有廣闊的發展空間．美國“好奇號”火星探測器裝載了理論上可供能14年的核電池．核電池又叫“放射性同位素電池”，它通過半導體換能器將同位素衰變過程中不斷放出的射線產生的熱能轉變為電能，現已被成功地用作航天器的電源、心臟起搏器電源和一些特殊軍事用途．此外，人們發射過一些核動力衛星，包括美國的“海盜”號探測器、“先驅者”10號、“旅行者”1號和“旅行者”2號等探測器，其動力和電源設備中都使用了同位素溫差發電器．衛星中的核能裝置不同于核電池和核熱發動機，它主要分為兩類：放射性同位素溫差發電機及核反應堆電源．前者功率范圍在幾十至上百瓦；后者功率較大，可達數千瓦至數十千瓦．核電設備由于其長壽命和幾乎不受外界溫度、壓力甚至電磁場干擾的穩定的工作性能，在該火星計劃中將會是必須包含的部件之一．飛船核燃料可以采用地球上儲量更豐富、更輕質的元素參與核反應，并提供更加持久、功率更高的電能來供給更多的電推進器的使用．

2．4 無工質微波推力器

無工質推進器常常出現在科幻小說或電影里面，例如吉恩·羅登貝瑞（Gene Roddenberry）導演的電影《星際迷航（Star Trek）》和劉慈欣的科幻小說《三體》，這種推進器在藝術家筆下展現出了驚人的工作性能和發展潛力．而在現實的空間科技發展中，英國衛星推進研究公司（Satellite Propulsion Research Ltd）的研究員Roger Shawyer根據普朗克量子假說及愛因斯坦光量子理論率先提出了無工質微波推力器的初步設計、理論分析和實驗研究．

無工質微波推力器，是在21世紀航天工業水準空前發展背景下產生的一種新型推進器概念，現處于實驗和研究階段．其主要工作原理：被導入特定形狀封閉腔體內的高能微波與腔體表面發生作用而在推力器軸線方向上產生凈推力［10］，該推進器擁有以下顯著優點：（1）沒有燃料燃燒產生的高溫，機組零件不必再面臨被超高溫腐蝕的危險；（2）幾乎完全只消耗電能，而現有的空間能源技術幾乎都在針對電能的產生和儲存的方向來發展，前景廣闊；（3）可在較大范圍內調整推力與功率，空間中推進更加靈活．

依據Roger Shawyer團隊的實驗數據及其擬合的實驗曲線，當微波的輸出功率為1kW時，推進器可獲得0．1～330mN的推力輸出范圍［11］．對于這樣一個全新思路、全新概念的推進器，目前僅處于試驗階段就取得了矚目的進步．如同利用太陽輻射和光壓來推進的太陽帆推進器，無工質微波推力器的設計相當于自帶輻射源，其可控性和可靠性都大大提高．隨著核電技術的發展，更大功率的電源將會陸續出現，搭配上太陽能電池板的使用，從地球飛往火星的旅途中就不必再攜帶大量的燃料，僅靠電能就足以將航天器送至火星．

3 結論與分析

本文對火星登陸計劃中空間技術的要求進行了簡明的闡述，又對當代常用的幾種空間推進系統進行了較為詳盡的說明和初級的分析．4種上述推進系統的總體比較見表3．

表3　推進系統總體比較

火星之旅，第一步需要從地球發射，脫離行星引力并達到至少第二宇宙速度，首先是大推力火箭，可以利用現有的、較為成熟的固態／液態化學火箭，配合核熱技術，提高比沖的同時增加最大載荷和連續運行時間，這樣就能攜帶更多有利資源來供給宇航員的生活和準備將來火星“移民”的必需物資．其后，在前往火星的空間航行過程中，需要空間電推進器在途中進行多次軌道調整并進行長時間的加速和減速，在此環節中可利用無工質微波推力器或以VASIMR為代表的一類電動火箭，它們擁有比沖大而且可調度較高的優勢，二者中選擇誰或二者如何搭配取決于兩類火箭的技術發展水平，該兩種推進系統能否高效工作還取決于核能的發展和利用．

火星登陸計劃中需要考慮的參數相當復雜而且指標繁瑣，需要找到各個部分之間的聯系和區別，兼顧大局和細節，整個計劃才有可能成功并擁有其真正的價值和意義．相信火星登陸計劃能像預期的那樣，真正讓人類向火星進發，“走”向深空．

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THE COMPREHENSIVE OPTION OF THE SPACECRAFT PROPULSION SYSTEMS USING FOR LANDING ON MARS AND ITS PHYSICAL PERFORMANCE

Song Zhihang1Liu Yuying2
（1College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083；2College of Science，China Agricultural University，Beijing 100083）

AbstractThe Mars landing project led by the United States has drawn more and more attention recently．The key point in the trip to Mars is to send humans to Mars successfully．For the manned spacecraft to Mars，one of the key technology break throughs is the propulsion systems of spacecraft．In this paper，several propulsion systems of spacecraft widely accepted in this project are introduced．Based on the physical principles，the track selection problem during the process of spacecraft propulsion are discussed．Besides，several kinds of spacecraft propulsion systems and their physics parameters are comprehensively compared and analyzed．The best choice of spacecraft propulsion system is also suggested，as a reference for the readers．

Key wordsMars landing；propeller；variable specific impulse magnetoplasma rocket（VASIMR）；nuclear power；propellantless microwave thrusters

DOI：［7］ 廖宏圖．核熱推進技術綜述［J］．火箭推進，2011，37（4）：1－11．10．3969／j．issn．1672－9374．2011．04．001．

作者簡介：宋知沆，男，在讀本科生．346138911＠qq．com；劉玉穎，女，副教授，主要從事凝聚態物理研究及大學物理教學研究．liuyuying＠cau．edu．cn

基金項目：中國農業大學教育教學改革項目，多層次的“大學物理”國際化教育教學模式與學生科研能力的培養（201416）；2014年中國農業大學本科生科研訓練計劃項目：以大學物理雙語教學為載體對學生科研能力的培養．

收稿日期：2015－05－14