新型航天推進(jìn)技術(shù)研究

肖應(yīng)超

摘 要 從衛(wèi)星升天到載人航天，從人類踏上月球到火星探測(cè)，隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類也已經(jīng)將目光放到了更遙遠(yuǎn)的太空深處。伴隨著航天探測(cè)任務(wù)難度的不斷升級(jí)，航天器的各項(xiàng)技術(shù)要求也更為苛刻。本文主要對(duì)目前航天推進(jìn)新技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)目前正在發(fā)展或者還處于設(shè)想階段的幾種航天推進(jìn)新技術(shù)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞 航天推進(jìn) 推進(jìn)新技術(shù) 電推進(jìn)

中圖分類號(hào)：V1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

目前在各類航天器上應(yīng)用最為廣泛的是化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，其主要是靠液體或者固體燃料在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量氣體，通過噴管向外噴出，在反作用力下推動(dòng)航天器運(yùn)動(dòng)。從1926年美國(guó)人戈達(dá)德研制出以液氧、汽油為推進(jìn)劑的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)至今。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)走過了90多個(gè)春秋，其技術(shù)理論已經(jīng)達(dá)到了比較成熟的階段。由于化學(xué)推進(jìn)可以提供大推力，其一直是航天器的主推進(jìn)系統(tǒng)。但隨著人類對(duì)宇宙空間探索范圍的不斷加大，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)的弊端逐漸顯露出來。傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)需要攜帶大量的燃料，目前的液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)所要攜帶的燃料質(zhì)量占到了總質(zhì)量的90%以上。同時(shí)，現(xiàn)在的運(yùn)載工具需要有2-3級(jí)火箭的持續(xù)加速才能將航天器送入軌道。其燃料耗費(fèi)多、速度不夠高等缺點(diǎn)導(dǎo)致其無法滿足深空探測(cè)要求。因此，有必要將目光從傳統(tǒng)化學(xué)推擠系統(tǒng)上移開，尋找新型的推進(jìn)技術(shù)，以滿足未來太空探測(cè)的需要。

1新型的推進(jìn)技術(shù)

1.1激光推進(jìn)

隨著激光器的發(fā)展，1971年，有美國(guó)學(xué)者提出了激光推進(jìn)的概念。激光推進(jìn)可提供很大的推理與比沖，據(jù)估計(jì)，一旦激光推進(jìn)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，發(fā)射費(fèi)用將降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，這將會(huì)徹底改變傳統(tǒng)火箭發(fā)射航天器的模式。激光推進(jìn)的實(shí)質(zhì)就是激光與物質(zhì)相互作用，將遠(yuǎn)距離的激光能量導(dǎo)入推進(jìn)器的推進(jìn)劑中，使其溫度急劇升高，形成高溫高壓氣體或等離子體，然后從噴管中噴射出來，從而產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，激光推進(jìn)最為突出的優(yōu)點(diǎn)是燃料攜帶量下降，航天器在大氣層中飛行時(shí)，只需對(duì)大氣層加熱，穿過大氣層后只需要少量工質(zhì)即可工作。這樣就可把有效載荷提高到15%以上，極大地降低發(fā)射費(fèi)用。

1.2電推進(jìn)技術(shù)

電推進(jìn)是由太陽能或核能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置獲得電能，利用電能再加熱推進(jìn)劑或電離推進(jìn)劑，加速工質(zhì)，使其形成高速射流噴出而產(chǎn)生推力推進(jìn)航天器飛行。電推進(jìn)技術(shù)是迄今為止發(fā)展最為快速最為成熟的非化學(xué)火箭推進(jìn)技術(shù)。電推進(jìn)技術(shù)按照電能的獲得方式可分為太陽能電推進(jìn)技術(shù)和核電推進(jìn)技術(shù)兩大類。按照工質(zhì)的加熱方式，可分為電熱式、電磁式、靜電式和混合式。電火箭的比沖高、壽命長(zhǎng)、重復(fù)啟動(dòng)性好等特點(diǎn)使其十分適合于深空探測(cè)。近幾十年來，各國(guó)都在積極開發(fā)與利用電推進(jìn)技術(shù)。也取得了一定的成績(jī)，如2003年日本發(fā)射的隼鳥號(hào)小行星探測(cè)器就采用的是微波離子推進(jìn)器，歐空局于2006年也驗(yàn)證了霍爾推進(jìn)器。

1.3太陽帆推進(jìn)技術(shù)

類似于帆船前進(jìn)一樣，太陽帆推進(jìn)技術(shù)就是利用太陽光子和其他的一些離子流照射在展開的反射帆上，利用其反推力提供足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)航天器飛行。第一代已經(jīng)生產(chǎn)的太陽帆由平滑材料制成，外面涂敷反射涂層，由連接到中心轂上的超輕結(jié)構(gòu)支撐。以這種形式的光壓推進(jìn)將主要用在深空探測(cè)器的姿態(tài)修正上，它的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要任何動(dòng)力，理論上只要太陽存在，就可以持續(xù)提供動(dòng)力來加速航天器。2005年世界上第一個(gè)采用太陽帆推進(jìn)的航天器發(fā)射升空。雖然這次發(fā)射沒有成功，但其向人們展示了太陽帆推進(jìn)技術(shù)的光明前景。

1.4微波推進(jìn)

微波推進(jìn)主要依賴于微波發(fā)生器所產(chǎn)生的微波所攜帶的能量作為提供推進(jìn)劑所需的能源。微波推進(jìn)器可以利用內(nèi)部、外部甚至遠(yuǎn)距離的微波束傳來的能量。由于其推進(jìn)系統(tǒng)與航天器本身分離，因此，利用微波推進(jìn)系統(tǒng)將極大簡(jiǎn)化了航天器結(jié)構(gòu)。其在使用壽命、性能、效率等方面都具有顯著特點(diǎn)。其可使航天器進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)控制和星際航行等動(dòng)作。盡管其目前還處于理論階段，但它必將會(huì)有大好的應(yīng)用前景。

1.5反物質(zhì)推進(jìn)

進(jìn)行星際航行是人類多年以來的夢(mèng)想，但以目前推進(jìn)技術(shù)所能達(dá)到的極限而言，進(jìn)行星際航行還是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想。要進(jìn)行星際航行，必須要使火箭的噴氣速度達(dá)到接近光速才行。反物質(zhì)推進(jìn)被看作是進(jìn)行星際航行最為有效的方式。根據(jù)愛因斯坦能量方程，質(zhì)量和能量是不可分割的，質(zhì)量可以全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。因此可以利用物質(zhì)與反物質(zhì)湮滅反應(yīng)可以將質(zhì)量全部轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。例如質(zhì)子和反物質(zhì)結(jié)合湮滅產(chǎn)生兩個(gè)或多個(gè)介子，這些帶電粒子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下可以以極高的速度噴射，理論上可以達(dá)到光速，而且湮滅反應(yīng)是自然發(fā)生的，并不需要復(fù)雜的設(shè)備。但是，在目前的條件下，大量反物質(zhì)的生產(chǎn)和存儲(chǔ)問題還沒有得到解決，因此，該想法目前還處于設(shè)想階段，真正實(shí)現(xiàn)也許還需要上百年的時(shí)間。

2結(jié)語

飛出地球去探索神秘的宇宙空間一直都是全人類自古以來的期望。20世紀(jì)以來，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)成功將宇航員送入到了月球，并且開展了有關(guān)火星的探測(cè)。但要進(jìn)行更為深入的探測(cè)，目前的技術(shù)還達(dá)不到要求，需要我們提高航天器性能。所謂航天探路，動(dòng)力先行，推進(jìn)系統(tǒng)作為航天器最為重要的一環(huán)，自然成為世界各國(guó)突破的關(guān)鍵口。20世紀(jì)后半期，隨著一些新型推進(jìn)系統(tǒng)理論的成熟以及試驗(yàn)的成功，已經(jīng)有不少航天器裝載了相關(guān)的推進(jìn)系統(tǒng)并且發(fā)揮出了其優(yōu)勢(shì)。雖然目前階段，很多設(shè)想還處于理論階段或者還不成熟，但相信隨著科技的進(jìn)步，人類深空探索與星際航行的夢(mèng)想將不再遙遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

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