登陸火星飛船“推進系統(tǒng)”的遴選及其物理學(xué)性能

宋知沆劉玉穎（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)工程系，北京 00083；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，北京 00083）

?

登陸火星飛船“推進系統(tǒng)”的遴選及其物理學(xué)性能

宋知沆1劉玉穎2
（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)工程系，北京 100083；2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)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(guān)注．“火星之旅”中關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(guān)鍵性技術(shù)之一是飛船推進系統(tǒng)．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(tǒng)，從物理學(xué)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(tǒng)及其物理學(xué)參數(shù)進行了全面的比較和分析，以及飛船推進系統(tǒng)的最佳選擇等，以饗讀者．

關(guān)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(zhì)微波推力器

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

1 飛船推進系統(tǒng)的選擇

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

1．1 發(fā)射時機與軌道選擇相關(guān)問題

大眾對登陸火星的理解停留在“我們只需要向數(shù)億千米外的火星發(fā)射一支火箭即可，只要技術(shù)成熟了，隨時都可以出發(fā)”的狀態(tài)．事實上，火星和地球到達某一相對位置時才能發(fā)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(guān)關(guān)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(fā)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(fā)射時機、發(fā)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(xué)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(nèi)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(nèi)，只有一次機會按照“霍曼軌道”發(fā)射火箭，由于飛行器速度的限制，當(dāng)飛船航行到火星附近時，火星與地球之間已經(jīng)發(fā)生較大的相對位移，所以軌道允許進行小幅度的調(diào)整，發(fā)射時機需有一個確定的時間范圍，若錯過了這個發(fā)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(fā)射窗口和軌道確定后，進一步分析飛船所需的推進器．以經(jīng)典“霍曼軌道”為例，它形似一個巨大的橢圓，火箭發(fā)射時，要克服地球引力并在短時間內(nèi)達到至少第二宇宙速度，火箭上需要推力較大的液態(tài)燃料，并采用多級火箭推進技術(shù)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(nèi)對推進功率進行調(diào)整的推進器，用來對航行軌道進行精確微調(diào)；同時，要盡量加快飛行速度，它的最大推力和功率不能過?。粯O有可能的候選者是現(xiàn)代新興的電推進技術(shù)．在靠近火星時需要及時減速并調(diào)整軌道來準(zhǔn)確捕獲火星或其衛(wèi)星，此時大功率推進器會派上用場，候選者中會包含較為節(jié)約燃料并有可能在火星上繼續(xù)生產(chǎn)燃料的核動力推進器，還要根據(jù)后續(xù)的具體性能與參數(shù)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(guī)劃與發(fā)射窗口問題已經(jīng)基本明確，對飛船推進系統(tǒng)的要求也有了定性的認識：即飛船推進系統(tǒng)具有動力持久、推力可控且足夠大、燃料獲取方便、質(zhì)量盡量小且比沖（Specific impulse）盡量大等特點．下文根據(jù)實際情況分析各種推進系統(tǒng)的物理性能并進行綜合對比．

2 具有潛力的推進系統(tǒng)候選者

2．1 液態(tài)／固態(tài)燃料化學(xué)火箭

液態(tài)／固態(tài)燃料化學(xué)火箭，是目前世界各國在火箭發(fā)射過程中別無他選的推進器，也是目前核動力火箭欠發(fā)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(xué)火箭的相關(guān)性能指標(biāo)和形態(tài)參數(shù)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(jīng)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(fā)射系統(tǒng)”（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(tǒng)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(zé)對其固態(tài)輔助火箭的研發(fā)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(shù)中，左數(shù)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(shù)表示公用芯級捆綁的固體推進器的數(shù)量［3］；第三位表示半人馬座上面級發(fā)動機的數(shù)量［3］．此外，宇宙神－5系列中還含有新研發(fā)的宇宙神5H重型運載火箭．

宇宙神－5第一級由液態(tài)氧和煤油組成燃料，發(fā)動機為俄羅斯生產(chǎn)的RD－180火箭發(fā)動機，無節(jié)流狀態(tài)下的真空推力可以達到約4．14×106N（注：無節(jié)流狀態(tài)下的真空推力，主要指在真空環(huán)境下，火箭發(fā)動機噴口處或燃料輸送管道等裝置中的節(jié)流閥幾乎不產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)時，發(fā)動機所能提供的推力，近似等同于“真空下最大推力”．節(jié)流（效應(yīng)），指流體在管道中流動突然遇到較窄截面時導(dǎo)致的壓力下降的現(xiàn)象．工程上常常利用節(jié)流效應(yīng)控制流體工質(zhì)的壓強、流速等參數(shù)以達到相應(yīng)的技術(shù)要求．火箭推進器中，節(jié)流效應(yīng)多被用于實現(xiàn)推力可調(diào)功能，主要以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈活性和經(jīng)濟性為目的，例如調(diào)節(jié)燃料各組分的混合比或調(diào)節(jié)推力室中燃料的流量以實現(xiàn)火箭推力在不同航段和不同環(huán)境下的調(diào)整．），真空比沖約為3300m·s－1（注：比沖，單位質(zhì)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(fā)動機比沖）；第二級是以液態(tài)氧和液態(tài)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(zé)研制的RL10A－4－2液氫液氧發(fā)動機［3］，平均每臺發(fā)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(tài)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(shù)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(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，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(xiàn)有火箭推進器常采用RBCC系統(tǒng)（Rocket－Based Combined Cycle，火箭基組合循環(huán)推進系統(tǒng)）．該推進系統(tǒng)是火箭發(fā)動機與吸氣式發(fā)動機的集成，是這兩類發(fā)動機組合成的一體化推進系統(tǒng)，為保證吸氣系統(tǒng)的穩(wěn)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(tài)調(diào)整，因此火箭的流體力學(xué)性能指標(biāo)中的動壓相關(guān)參數(shù)顯得尤為重要．而根據(jù)動壓的定義和計算公式，火箭的最大動壓這一參數(shù)體現(xiàn)了火箭的最大速度和克服阻力的能力．②地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO），是霍曼轉(zhuǎn)移軌道的運用之一，為橢圓形軌道，飛船在遠地點經(jīng)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(fā)射地球同步衛(wèi)星．捆綁固體助推器的數(shù)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(tǒng)有著推力大、加掛輔助固體推進器方便靈活、比沖較大、系統(tǒng)可靠性高、燃料常見且易于制備的關(guān)鍵性優(yōu)點，但同時也有著推進總時間較短、推進功率幾乎不可調(diào)、質(zhì)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(dāng)前并非家喻戶曉，但在航天學(xué)界被認為是奔向火星的必選推進器之一．它的原初構(gòu)想由其設(shè)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(tǒng)化學(xué)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(fā)動機噴出而產(chǎn)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(xué)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(diào)，縮短航行時間的同時更加節(jié)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(dǎo)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(chǎn)生高溫、高能量、高密度的等離子體源（注：朗道阻尼，由蘇聯(lián)物理學(xué)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(xiàn)象．在應(yīng)用中，科學(xué)家經(jīng)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(jù)動量守恒原理，火箭將獲得與噴出物質(zhì)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(zhì)量參數(shù)

使用性能方面，VASIMR的相關(guān)參數(shù)已列于表2［6］中．可以看出，VASIMR的主要優(yōu)點包含：（1）效率高，“功率推力比”較高，這點在深空航行時至關(guān)重要——高效率意味著更少量的能源浪費、更高的成功率；（2）質(zhì)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(xiàn)故障，還有進行替換并繼續(xù)工作的機會；（3）比沖可調(diào)范圍相當(dāng)大，在高推力、低比沖模式下，飛船可以產(chǎn)生最大加速度，有利于姿態(tài)和航道的調(diào)整，而在低推力、高比沖模式下，飛船可以長時間持續(xù)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(xué)火箭相比已不在同一數(shù)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(xiàn)有VASIMR在滿負荷工作時的功率可達到107W數(shù)量級，而一座國際空間站的耗電量僅為數(shù)百千瓦，現(xiàn)有的空間太陽能電池技術(shù)很難具有此產(chǎn)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(shù)

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(yīng)半年能量的電池，體積和質(zhì)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(shù)或產(chǎn)能技術(shù)．核能——這是愛因斯坦質(zhì)能方程E＝mc2給人們帶來的啟示．

現(xiàn)在空間推進技術(shù)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(zhì)“抬升”到高能狀態(tài)，此過程耗能最大；（2）經(jīng)過特定的通道噴出，實現(xiàn)“動量交換”．核動力推進器包含兩種能量轉(zhuǎn)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(dǎo)彈為應(yīng)用背景，研制大型核熱火箭發(fā)動機．在此計劃期間，共進行了14種不同系列的反應(yīng)堆和發(fā)動機部件的實驗，核熱功率范圍從500W至5000MW，相當(dāng)于推力范圍自102N至106N［7］，為后續(xù)的研究奠定了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗基礎(chǔ)．NASA曾編制的載人火星探索設(shè)計參考架構(gòu)（Human Exploration of Mars Design Reference Architecture，DRA）5．0中，核動力火箭發(fā)動機被推薦為地球火星轉(zhuǎn)移飛船主動力方案［8］．本世紀初，兆瓦功率級的核反應(yīng)電源構(gòu)想應(yīng)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(wèi)星，該衛(wèi)星的能源來源于一個550kW的核反應(yīng)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(yīng)能源配合使用，3－5個VASIMR發(fā)動機的運行功率大致為106W數(shù)量級，根據(jù)NASA的估算，飛船搭載5個VASIMR，自重600噸的情況下，若核反應(yīng)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(shù)具有廣闊的發(fā)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(dǎo)體換能器將同位素衰變過程中不斷放出的射線產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽F(xiàn)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(fā)射過一些核動力衛(wèi)星，包括美國的“海盜”號探測器、“先驅(qū)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(shè)備中都使用了同位素溫差發(fā)電器．衛(wèi)星中的核能裝置不同于核電池和核熱發(fā)動機，它主要分為兩類：放射性同位素溫差發(fā)電機及核反應(yīng)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(shù)千瓦至數(shù)十千瓦．核電設(shè)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(wěn)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(zhì)的元素參與核反應(yīng)，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(zhì)微波推力器

無工質(zhì)推進器常常出現(xiàn)在科幻小說或電影里面，例如吉恩·羅登貝瑞（Gene Roddenberry）導(dǎo)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(shù)家筆下展現(xiàn)出了驚人的工作性能和發(fā)展?jié)摿Γ诂F(xiàn)實的空間科技發(fā)展中，英國衛(wèi)星推進研究公司（Satellite Propulsion Research Ltd）的研究員Roger Shawyer根據(jù)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(zhì)微波推力器的初步設(shè)計、理論分析和實驗研究．

無工質(zhì)微波推力器，是在21世紀航天工業(yè)水準(zhǔn)空前發(fā)展背景下產(chǎn)生的一種新型推進器概念，現(xiàn)處于實驗和研究階段．其主要工作原理：被導(dǎo)入特定形狀封閉腔體內(nèi)的高能微波與腔體表面發(fā)生作用而在推力器軸線方向上產(chǎn)生凈推力［10］，該推進器擁有以下顯著優(yōu)點：（1）沒有燃料燃燒產(chǎn)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(xiàn)有的空間能源技術(shù)幾乎都在針對電能的產(chǎn)生和儲存的方向來發(fā)展，前景廣闊；（3）可在較大范圍內(nèi)調(diào)整推力與功率，空間中推進更加靈活．

依據(jù)Roger Shawyer團隊的實驗數(shù)據(jù)及其擬合的實驗曲線，當(dāng)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(zhì)微波推力器的設(shè)計相當(dāng)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(shù)的發(fā)展，更大功率的電源將會陸續(xù)出現(xiàn)，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(jié)論與分析

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

表3　推進系統(tǒng)總體比較

火星之旅，第一步需要從地球發(fā)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(xiàn)有的、較為成熟的固態(tài)／液態(tài)化學(xué)火箭，配合核熱技術(shù)，提高比沖的同時增加最大載荷和連續(xù)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(zhǔn)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(diào)整并進行長時間的加速和減速，在此環(huán)節(jié)中可利用無工質(zhì)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(diào)度較高的優(yōu)勢，二者中選擇誰或二者如何搭配取決于兩類火箭的技術(shù)發(fā)展水平，該兩種推進系統(tǒng)能否高效工作還取決于核能的發(fā)展和利用．

火星登陸計劃中需要考慮的參數(shù)相當(dāng)復(fù)雜而且指標(biāo)繁瑣，需要找到各個部分之間的聯(lián)系和區(qū)別，兼顧大局和細節(jié)，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(yù)期的那樣，真正讓人類向火星進發(fā)，“走”向深空．

參考文獻

［1］ 尹懷勤．火星航天器的發(fā)射窗口和最佳軌道［J］．太空探索，2003（10）：43－46．

［2］ 劉興武．國外大型運載火箭的發(fā)展趨勢［J］．導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2000（2）：54－61．DOI：10．3969／j．issn．1004－7182．2000．02．010．

［3］ 張菽．宇宙神5系列運載火箭的現(xiàn)狀及其未來的發(fā)展［J］．導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2008（2）：56－60．DOI：10．3969／j．issn．1004－7182．2008．02．013．

［4］ 張婭，劉增光，鄭慶．國外固體捆綁運載火箭技術(shù)與方案綜述［J］．上海航天，2013，30（3）：39－44．DOI：10．3969／j．issn．1006－1630．2013．03．009．

［5］ 劉興武．新型運載火箭宇宙神－5［J］．國際太空，2002（6）：11－16．

［6］ 任軍學(xué)，劉宇，王一白．可變比沖磁等離子體火箭原理與研究進展［J］．火箭推進，2007，33（3）：36－42．DOI：10．3969／j．issn．1672－9374．2007．03．007．

［8］ 高云逸．星際載人航行的動力之源——核火箭發(fā)動機研制“起伏”史［J］．宇航員，2013：64－67．

［9］ 馬世俊，杜輝，周繼時，等．核動力航天器發(fā)展歷程（下）［J］．中國航天，2014（5）：32－35．

［10］ 楊涓，楊樂，朱雨，等．無工質(zhì)微波推進的推力轉(zhuǎn)換機理與性能計算分析［C］．西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報．2010，28（6）：807－813．DOI：10．3969／j．issn．1000－2758．2010．06．001．

［11］ Roger S C．Eng MIET，A theory of microwave propulsion for spacecraft［OL］，http：／／www．emdrive．com／，2007．7．

［12］ 吳漢基，蔣遠大，張志遠．電推進技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢［J］．推進技術(shù)，2003，24（5）：385－392．

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(shù)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(tài)物理研究及大學(xué)物理教學(xué)研究．liuyuying＠cau．edu．cn

基金項目：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革項目，多層次的“大學(xué)物理”國際化教育教學(xué)模式與學(xué)生科研能力的培養(yǎng)（201416）；2014年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生科研訓(xùn)練計劃項目：以大學(xué)物理雙語教學(xué)為載體對學(xué)生科研能力的培養(yǎng)．

收稿日期：2015－05－14