怎樣使宇宙飛船重返地球

巖　石

蘇聯(lián)的第二只宇宙火箭已經(jīng)成功地到達(dá)了月球，第三只宇宙火箭并且已走上繞過(guò)月球飛行的軌道，人類走出自己的行星飛往月宮和更遙遠(yuǎn)的其他天體的時(shí)代就要開(kāi)始了。過(guò)些時(shí)候，往返于星際之間的火箭和宇宙飛船將頻繁地出入地球或其他星球的大氣層。現(xiàn)在我們來(lái)看一下目前宇宙航行中所面臨的這樣一個(gè)重要問(wèn)題：飛船怎么才能順利地通過(guò)大氣層、安全地在地球表面上著陸呢？

大氣層的利與弊

為了使宇宙飛船重新降落在地面上必須減低它的運(yùn)動(dòng)速度，因?yàn)楫?dāng)它以等于或大于第一宇宙速度飛行的時(shí)候，它是永遠(yuǎn)不會(huì)落到地球上的。只有小于第一宇宙速度它才能穿過(guò)層層大氣、逐漸緩慢下來(lái)，與大地表面逐漸接近。大氣可以造成幫助飛船減速的阻力，這樣看來(lái)，大氣層對(duì)于飛船的著陸是有益的，如果是在沒(méi)有大氣的星球上，飛船的降落就會(huì)變得更加困難、復(fù)雜和費(fèi)勁。此外，大氣上層蘊(yùn)藏著的豐富的能量，在宇宙飛行器的減速上，是有可能尋求各種途境去利用它們的。

然而，大氣層對(duì)飛船的著陸并不都是有利的。它還有著十分危險(xiǎn)的一面。我們知道，即使宇宙飛船已經(jīng)把速度減低到逐漸向地球靠近的程度，可是它仍然是很高的，這就使飛船在進(jìn)入大氣層時(shí)，它的表面由于同氣體分子摩擦而發(fā)生高溫，這個(gè)溫度之高和熱量之大不僅可以使飛船的頭部發(fā)紅、閃光，而且可以使整個(gè)飛船遭到與許多隕石相同的命運(yùn)——在大氣中完全被燒掉。例如，飛船的速度減小到遠(yuǎn)低于第一宇宙速度的5.5公里/秒時(shí)，它的頭部也要在大氣層中被加熱到5000℃，這是目前任何一種耐熱材料都經(jīng)受不住的。

怎么克服這個(gè)障礙、使飛船獲得適當(dāng)?shù)乃俣?、無(wú)危險(xiǎn)地通過(guò)大氣層呢？

這就需要從抗熱和冷卻上以及從減速上想辦法。

抗熱與冷卻

高速運(yùn)動(dòng)的飛船在大氣中被加熱這件事，意味著大量的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能又加給飛船。如果我們能使這些熱量更多地散布于廣闊的空間、更少地傳給船身，那么就可以使它的溫度降低、受熱減少。當(dāng)飛船的頭部不做成尖形而做成鈍形，就能在一定程度上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。因?yàn)殁g形所產(chǎn)生的激波系統(tǒng)在消耗動(dòng)能造成熱量的同時(shí)就把這些熱留散在空氣之中。還可以采用多孔的飛船外壁，使某種冷卻液體從孔隙中流出和蒸發(fā)從而冷卻飛船，這種液體應(yīng)該具有大的熱容量和氣化熱。另一種所謂“消融吸熱法”是將飛船前端外壁附上一層易蒸發(fā)的金屬材料，它們?cè)诟邷氐沫h(huán)境中消融、同時(shí)把飛船上的熱量帶走。此外，“內(nèi)部冷卻法”在某些情況下也是可以使用的，這是依靠液體金屬?gòu)膬?nèi)部沖洗來(lái)冷卻飛船上受熱最大的外壁。

為了抵抗高溫的作用，制作飛船殼體應(yīng)該選用具有如下特點(diǎn)的材料高熔點(diǎn)，大的穩(wěn)定性，使之在工作溫度下不熔化、難于腐蝕和氧化；具有大的熱容量、高度的反射和散熱能力。

除了繼續(xù)尋找耐熱性高的金屬與合金(例如鎢鉬)之外，飛船的外殼可以加裝金屬涂層和陶瓷涂層。它們有更大的對(duì)高溫的抵抗能力。還可以用幾種材料的夾層制造外壁、其中有金屬板、非金屬夾層(如水泥，特殊的玻璃絲)、合金固定層。在進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)上，耐熱性能優(yōu)良的陶瓷合金很可能成為飛船外壁的重要材料。

減速機(jī)構(gòu)

僅僅依靠抗熱與散熱的作用遠(yuǎn)不能保證從星際空間歸來(lái)的飛船安全地通過(guò)大氣層回到地面，在任何情況下都需要強(qiáng)有力的減速機(jī)構(gòu)。雖然，使用向前方噴射氣流的反推力發(fā)動(dòng)機(jī)能夠很好地完成減速任務(wù)，但是這樣做，至少在很長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，是非常浪費(fèi)和笨拙的，因?yàn)檫@將使具有同一有效載荷的宇宙飛船的燃料消耗量和體積增加幾百倍、甚至千倍。這樣，除了起輔助作用和在特殊情況下必須采用這種方法之外，我們必須去尋找方便和有效的其他各種方法，這就是利用空氣的阻力和大氣層中的能量。對(duì)于前者，人們?cè)缫烟岢龈鞣N各樣的方案，其中有的已在相應(yīng)的領(lǐng)域中付諸實(shí)現(xiàn)。例如大家所熟知的降落傘，能夠自動(dòng)伸縮機(jī)翼的宇宙滑翔機(jī)。為了增大氣動(dòng)阻力可以在船身上裝設(shè)一些可調(diào)節(jié)的增阻機(jī)構(gòu)，需要時(shí)它們被打開(kāi)以增加飛船的迎風(fēng)面，之后便自動(dòng)閉合起來(lái)保持飛船良好的外形。

圖1帶有“大氣慣性制動(dòng)器”的飛船

下面我們介紹一種可能的利用大氣慣性的制動(dòng)設(shè)備(圖1)。這種制動(dòng)系統(tǒng)是借助于氣流的動(dòng)量改變所產(chǎn)生的沖力使飛船減速的。當(dāng)迎面氣流從進(jìn)口沖入制動(dòng)器以后，它被迫沿著彎曲的管道流動(dòng)，轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，最后通過(guò)出口流出。在這種情況下，由于氣流的速度矢量發(fā)生變化(或者是方向改變，或者方向和大小同時(shí)改變)，依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)中的動(dòng)量原理，必然出現(xiàn)一個(gè)阻止飛船前進(jìn)的力。該力大小同氣流轉(zhuǎn)角、大氣密度和飛船與大氣的相對(duì)速度有密切關(guān)系。假如速度是每秒六公里、氣流轉(zhuǎn)角是90°、該處的大氣密度為海平面上密度的八分之一，當(dāng)進(jìn)氣流的截面為一平方米時(shí)，按簡(jiǎn)單計(jì)算，這時(shí)約將產(chǎn)生六萬(wàn)噸的制動(dòng)力，此力比同樣面積的平板阻力大得多，這個(gè)關(guān)系在水力實(shí)驗(yàn)(如火箭車的水力制動(dòng)實(shí)驗(yàn))中已經(jīng)得到證明。

使用大氣中的能量減低飛船的速度，在未來(lái)的宇宙航行中會(huì)占到愈益重要的位置。

人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)，地球周圍的大氣層是一個(gè)取之不盡的巨大的能量庫(kù)藏，這些能量在不同高度和地區(qū)分布的形式不一樣，我們也就需要用相應(yīng)的方法去取用它們。在八十公里高空以上的地區(qū)，空氣分子在太陽(yáng)射線和宇宙線的作用下呈現(xiàn)離子狀態(tài)，當(dāng)一公斤的這種氣體復(fù)合的時(shí)候，就能放出一千萬(wàn)公斤米的能量。如果我們能制造出可以復(fù)合離子的發(fā)動(dòng)機(jī)，或者采用其他的辦法使等離子區(qū)在其中得到加速，那么我們就可以無(wú)代價(jià)地或花費(fèi)很少代價(jià)地把這些能量用于飛船的減速上。

圖2帶有離子制動(dòng)器的飛船

一種所謂離子發(fā)動(dòng)機(jī)正是利用離子復(fù)合的原理設(shè)計(jì)的。倘若我們把這種發(fā)動(dòng)的結(jié)構(gòu)和作用方向加以改變，就能得到一種類型的離子制動(dòng)器。如圖2所示。等離子區(qū)的氣體從進(jìn)口1流入飛船的制動(dòng)系統(tǒng)，沿著管道旋轉(zhuǎn)180°進(jìn)入脈動(dòng)式的離子發(fā)動(dòng)機(jī)，脈動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)的采用是為了保證氣流的單向運(yùn)動(dòng)。流入發(fā)動(dòng)機(jī)的離子在催化劑(例如金)的作用下，迅速結(jié)合成分子，同時(shí)放出大量的熱，被加熱的氣流以極大的速度向前方噴出造成飛船的反推力。

另一種類型的離子制動(dòng)器是這樣的，它用不著在發(fā)動(dòng)機(jī)中使離子復(fù)合，而是用一種專門(mén)的電力加速系統(tǒng)。進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的等離子區(qū)氣流經(jīng)過(guò)加速電極之后改變運(yùn)動(dòng)方向并且速度顯著增大起來(lái)，從出口向前方噴去。此法的缺點(diǎn)是要消耗一定自備電能，但是與所得相較這個(gè)數(shù)量還是小的，而且，電能可以在宇宙空間直接得到補(bǔ)充。

還有一種離子制動(dòng)器的方案，是在飛船的前部做成一些可調(diào)的凹坑裝置，在這些坑中放上性質(zhì)劇烈的催化劑，使對(duì)面迎來(lái)的等離子區(qū)氣流同它接觸時(shí)不斷在凹坑中發(fā)生連續(xù)的爆炸，產(chǎn)生的力是剛好抵擋飛船的運(yùn)動(dòng)。

新近科學(xué)上的重要發(fā)現(xiàn)是在地球周圍存在著一個(gè)輻射帶——一個(gè)非常巨大的能源。它具有對(duì)人體健康有害的放射性，然而這種放射的強(qiáng)度在它的各層并不相同，只要能夠適當(dāng)加以防御，至少外輻射帶對(duì)于飛船的航行和制動(dòng)可能起一定的有利作用。這個(gè)帶是由沿著地球磁力線方向運(yùn)動(dòng)的電子組成的，在距離地球表面四個(gè)半徑的地方它的強(qiáng)度達(dá)到最大值。如果有一個(gè)飛船沿著迎向電子流的方向穿過(guò)外輻射帶，那么，由于它同電子流相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果必然在它的四周和內(nèi)部引起一個(gè)環(huán)形的磁場(chǎng)，這正如物理學(xué)所講的電流的運(yùn)動(dòng)要在周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)一樣，只是在這里，與飛船相對(duì)運(yùn)動(dòng)的電子流量由許許多多小的電子束組成的。這樣，假使我們能在飛船上造成一個(gè)同樣環(huán)形的但是方向相反的磁場(chǎng)，使之反抗外部電子流造成的磁場(chǎng)，也就相當(dāng)于反抗外部電子流、即反抗電子區(qū)與飛船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么顯而易見(jiàn)，飛船的運(yùn)動(dòng)速度必然被迫減慢下來(lái)?；谶@種原理，就可以制造出大氣高層的電子制動(dòng)器(圖3)。

圖3利用電子制動(dòng)的飛船

當(dāng)電子群不是平行而是垂直于飛船以更大的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，在這種情況下，就相當(dāng)于有許多個(gè)與船身側(cè)面相垂直的通電導(dǎo)線，如果我們?cè)陲w船上造成一個(gè)上下方向的磁場(chǎng)，按照電學(xué)中的左手定則，該磁場(chǎng)將與無(wú)數(shù)個(gè)“帶曳導(dǎo)線”相互作用，只要方向選擇的適當(dāng)，“導(dǎo)線”所受的力一定使它遠(yuǎn)離開(kāi)飛船，同時(shí)也必有一個(gè)相等相反的作用在飛船上的力，使它后退和離開(kāi)這許許多多的“導(dǎo)線”，顯然，這個(gè)力正是使飛船制動(dòng)的力。

根據(jù)某些元素的發(fā)射粒子的特性，可以造出一種在高空使用的制動(dòng)器。物理學(xué)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，鋁或釩這類元素在中子的照射下能夠變成放射性的鋁與釩，并且放出大量的粒子。1克放射性鋁在一秒鐘內(nèi)放出1020個(gè)β粒子，平均能量達(dá)到幾千瓦。如果有幾十公斤的放射性鋁，用中子照射后就可以獲得數(shù)百萬(wàn)千瓦的能量，把它們用在飛船上可足以產(chǎn)生很大的推力或者反推力的。從哪里獲得中子呢？最近一些科學(xué)家提出，在地球大氣的更外層存在有廣大的中子源，這些中子是由大氣中的原子被宇宙線破壞而產(chǎn)生的。如此，我們就可以利用這些中子沖擊飛船上的鋁或釩，它們裝在飛船前端的特殊的凹狀的反射器中。當(dāng)飛船從宇宙空間歸來(lái)時(shí)，調(diào)節(jié)反射器使之迎向?qū)γ鏇_來(lái)的中子，于是放射性物質(zhì)便開(kāi)始發(fā)出大量的粒子并向前方流去，于是強(qiáng)大的阻擋飛船前進(jìn)的制動(dòng)力便由此產(chǎn)生了。

文中后幾段提出的宇宙飛船的制動(dòng)方案，只是不成熟的初步意見(jiàn)。筆者希望能獲得對(duì)此問(wèn)題有興趣的同志們的批評(píng)和指教。