航天器获得动力的新方法探迹

随着科学技术的高速发展，人类乘坐航天器遨游太空已不再是天方夜潭。前不久中央电视台报道，个人只要具备2 000万美金，明天就可能乘飞船遨游太空。那么如何给飞行器提供动力，使其能长久地在太空中穿梭是现代航天科技的一个重要研究课题。始至今日火箭推进器仍然是人类探索太空的主要动力来源。拿发射同步卫星来说，一般不采用普通卫星的直接发射方法，而是采用变轨道发射。首先，利用第一级火箭将卫星送到180~200km的高空，然后依靠惯性进入圆停泊轨道。当到达赤道上空时，第二、三级火箭点火，卫星进入位于赤道平面内的椭圆转移轨道，且轨道的远地点为35 800km，与同步轨道相切。当到远地点时，卫星启动发动机，然后改变方向进入同步轨道。但这种化学燃料火箭实在是太慢了，它们在每次飞行开始时就燃烧完所有的推进剂，然后飞船只得滑行完剩下的路程。要想去距离我们最近的恒星，乘坐这种飞船至少得在茫茫太空中飞行几个世纪。更糟的是，目前的化学燃料火箭有效载荷比很低。如果使用化学燃料火箭，即使以所需要能量最小的轨道来计算。发射一个负载6人的团体从地球到火星，发射火箭总重量也将超过1000t，其中90％是燃料，单是燃料本身，就是整个国际空间站重量的两倍。可见，远途长时间的太空旅行，携带能源上天不是个好办法。现在宇宙飞船所必须携带的燃料，竟然要占去飞船90％的载荷量，这显然是不得已的办法。最理想的能源当然是能够在空间里不断取得补充的能源。

1 太阳帆推进器

太阳帆航天器是一种利用太阳光的压力进行太空飞行的航天器。在没有空气的宇宙空间中，太阳光光子会连续撞击太阳帆，使太阳帆获得的动量逐渐递增，从而产生加速度。

根据量子理论，光子不但有动能，还有动量，其计算式为p=h／λ，其中h是普朗克常量，λ是光子波长。既然光子有动量，那么光照到物体表面，光子被吸收或反射时，光都会对物体产生压强，这就是“光压”。那么光压有多大呢?

一台二氧化碳气体激光器发生的激光功率为P_o=1 000W，射出的光束的横截面积为S=1．00mm²，当它垂直照射到某一物体表面并且被全部反射时，对该物体产生的光压最大将是多大?我们可以计算得出来。由E=hν和P=h／λ以及真空中光速c=λν，不难得出光子的能量和动量之间的关系为E=pc。设时间t内激光器射出的光子数为n，每个光子的能量为E，动量为p，激光照到物体上后全部被反射，这时激光对物体产生的光压最大。设这个压强为p′，则功率P₀t=nE=npc，压力F_t=-n·(2p)，激光对物体表面所产生的压强为p′=F／S=2p₀/Sc=2×10³／(3×10⁸×10^-6) Pa=6．7Pa。

既然光照射物体会对物体产生光压，有人设想在遥远的宇宙探测中用光压作为动力推动航天器加速。给探测器上安装一块面积极大，反射率极高的薄膜——太阳帆，并让它正对太阳。若探测器在绕日轨道上每1m²面积上得到的太阳能为1．35kW，探测器的质量为M=50kg，薄膜面积为4×10⁴m²，那么探测器由于光压作用而得到的加速度为多大?

同理可得太阳光对探测器表面所产生的压强为p′=2p₀/Sc=9×10^-6Pa，再由牛顿第二定律得：

a=p′S／M=7．2×10^-3m／s²。

可见，光压推动航天探测器的加速度虽然很小，但通过长时间加速也能得到可观的速度增量，这对远距离的太空探测来说是可行的。

实际上，太阳帆推进器也是真实可行的，莫斯科时间2001年7月20日4时31分，俄罗斯成功地发射了“宇宙1号”航天器，该航天器是世界上首次使用太阳帆作为动力装置的航天器。

“宇宙1号”航天器在运载火箭推动下，进入远地点约1 200km的太空预定轨道后，按预设程序抛弃保护罩，并缓缓地绽开两个花瓣状、总直径约26m的表面覆盖着铝薄膜的太阳帆。这艘太阳帆航天器在近地轨道飞行约25min后，按预定计划返回。这次成功的试验飞行证明，利用太阳光压提供的推力，可以使飞船在太空中航行。

美国也在进行太阳帆航天器的研究，并为选择太阳帆的制造材料进行了大量测试工作，美国航天局预计，2010年成行的太阳帆航天器将历经15年以上的航程，飞行3．7×10⁹km，直至太阳系边缘。

但是，为了最大限度地从阳光中获得加速度，太阳帆必须建得很大很轻，而且表面要十分光滑平整。且其加速度方向只能沿着远离太阳的方向，故存在很大的局限性。而下面几种推进器不存在上述的局限。

2 质子、离子推进器

人造卫星沿圆轨道环绕地球运动，因为大气阻力的作用，其运动的高度将逐渐降低。虽然高度变化很慢，但经过一定时间后会偏离原来轨道，必须利用发动机向后喷出质子或离子流，对卫星产生微小的推力来纠正卫星的轨道或姿态。

“离子发动机”是一种新型的宇宙飞船用的发动机，其原理是将无色无味的惰性气体充满一个由磁场环绕并有电子束通过的仓室，电子撞击气体原子，撞掉一个外层电子，使中性的原子变成带正电的离子，这些气体离子由静止经加速，带有上万个微孔的电网将高速离子聚集到飞船的排气管，离子以超过1．7×10⁹km／h的速度穿过电网，使引擎加速进入太空，由此产生推力。由于单位时间内喷出的气体离子质量很小，飞船得到的加速度将非常小，但经过足够长时间的加速，同样可以得到很大的速度。

如果飞船的质量m为3．0×10²kg，气体离子的荷质比(电荷量与质量之比)k为7．2×10⁵C／kg，气体离子高速喷出形成的等效电流I为0．65A，气体离子喷出时的速度v为3．0×10⁴m／s，那么使飞船产生的加速度的大小可计算如下：

设离子喷出时对飞船的作用力为F，在极短时间Δt内喷出的离子电量为q，则对Δt内喷出的离子应用动量定理，得FΔt=mv，又I=q／Δt，k=q／m，可得F=Iv／k，由牛顿第三定律可知，飞船受到的推力大小也是F，于是可得a=Iv／km，代入具体数据得a=9．0×10^-5m／s²。

离子推进的有效性已在宇宙飞船上得到了证明，最有名的例子是“深空1号”探测器。2001年9月，这只由太阳能电力推动的小型空间技术测试器飞过哈雷慧星，并拍摄完成了多张照片。驱动“深空1号”离子推进器的效能大约是化学燃料火箭效能的10倍。

3 弹弓效应

当空间探测器从行星周围绕过时，由于行星的引力作用，可以使探测器的运动速率增大，这种现象被称之为“弹弓效应”。在航天技术中，“弹弓效应”是用来增大人造小天体运动速率的一种有效方法。

如图1所示的是“弹弓效应”示意图。质量为m的空间探测器以相对太阳的速度u₀飞向质量为M的行星，此时行星相对太阳的速度为v₀；绕过行星后探测器相对于太阳的速度为v，此时行星相对于太阳的速度u，由于mM，v₀、v、u、u₀的方向均可视为相互平行。

根据系统动量和动能守恒，且以v₀方向为负方向，则-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，说明其速度会增大。

我们可以具体来估算一下：若上述行星是质量为M=5．7×10²⁶kg的土星，其相对于太阳的轨道速率u₀=9．6km／s，而空间探测器的质量

m=150kg，相对于太阳迎向土星的速率v₀=10．4km／s，则由于“弹弓效应”，该探测器绕过土星后相对于太阳的速率将增大为v=v₀+2u₀=29．6km／s，是原来速度的两倍还多。

不过利用“弹弓效应”增大速度还是有条件的。若探测器飞向行星时的速度v₀与行星的速度u₀同方向时，为了使探测器能追上行星并绕过行星，应该v₀＞u₀，由上式可得v=（v₀-2u₀）＜v₀，即不能使探测器速率增加。

4 等离子体帆推进器

等离子体帆是从地球自身的磁场获得启示而设计的。强大的帆上电磁体能在飞船周围形成一个直径为15km或20km的地球磁场泡。太阳风中的高速带电粒子会推动磁泡，就像它们推动地球磁场一样。在这样的推动下，地球不会移动，因为地球质量太大，但宇宙飞船或飞行器却会被逐渐推离太阳。另一个好处是：正如地球磁场能保护地球免遭太阳磁爆和辐射的侵袭，磁等离子体帆也能保护飞船上乘员。

当然没有哪一种推进技术能面面俱到。为了把人类送上别的行星，多种技术的综合运用——混合推进技术飞行将是十分经济的。可能会这样进行：用化学燃料火箭使飞船升空；一旦进入近地轨道，离子推进舱即被点燃，或者可能由地面控制站打开一张太阳帆或等离子体帆，在6到12个月中，飞船渐渐飞离地球，利用“弹弓效应”缓缓地却不断地加速，最终进入离地轨道。在这段时间里，飞船上不会载人，这是为了避免地球的辐射带对飞船乘员造成的伤害。接下来机组人员才会乘坐高速太空车前往飞船。等机组人员进入飞船后，一枚小型化学燃料火箭即被点燃，它能把飞船立即加速到逃逸速度，然后飞船直奔目标方向而去。

(栏目编辑邓 磊)