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[信息] 航天先进推进技术简介

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发表于 2008-12-1 10:49:40 | 显示全部楼层

航天先进推进技术简介

喷气推进实验室和其它科研机构目前正致力于为未来航天器研究新的技术,它将具有低成本、高能力、高可靠性和高效率。未来航天器将在能源、推进方式、无线电通讯、导航、数据处理系统、定向控制和材料等方面都获得提高,带来几倍于目前的科学收益。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:49:57 | 显示全部楼层

太阳帆

星际旅行的最佳方法将是放弃使用推动宇宙飞船飞行的大量燃料。

过去人类发射的水星探测器、完成的阿波罗登月计划和现在使用的航天飞机均暴露了采用火箭推进方式存在的缺陷:携带的大量燃料使航天器变得庞大低效,因为火箭产生的大量动力耗费在运载燃料上。这种较为原始的推进方式在发射人造卫星和登月计划中尚可采用,但是在星际旅行中,工程师们认为需要另外寻找更轻便、更灵活和更迅捷的推进系统,让飞船速度接近光速。这样的新型推进系统目前有两种,其中一种不久将接受测试;而另一种如同阿尔法人马座那样,离我们还十分遥远。

太阳帆的理论依据是,光子照射到物体表面,会产生光压。在太空里,由于几乎没有空气阻力,因此太阳光照射到一个较大而且轻的物体上,会由于光压的力量产生一个加速度。根据这一原理,人们提出了太阳帆的概念。这种推进方式最大的优点是,不需要携带任何动力装置和推进剂,工程上实现比较容易。但它的致命缺点是,光压产生的推力太小,而且光压强度会随着距离的增大而骤然减小。为了获得较大的推力,太阳帆必须做得很大,而且必须极轻,这一点往往难于做到。有一项设计表明,药用太阳帆实现带探测器在21年里到达比邻星,太阳帆直径达1km,而且重量只有16kg,探测器质量只有4g这样的计划如能实现,其价值也不会很大。

要使太阳帆的设计思想实现,出路有2个:一是大幅度增加帆的面积;二是提高太阳光的强度。后一种是靠聚焦镜或激光器实现的。

1984年,美国休斯公司工程师R.Forward提出了一项巧妙的激光推进光帆往返探测器的设计。它的特点是,探测器不仅能够飞向目标星,而且还能返回。这个可以载人的探测器由三级组成。第一级实际上是一个巨大的环形光帆,外圈直径1000km,内圈直径320km,由铝片制成框架,并蒙以薄而能折光的轻质材料。第二级也是一个环形光帆,外圈直径320km,内圈直径100km,结构同第一级。中间第三级是一个直径100km的乘员返回舱。整个光帆连同返回舱总重80000000kg,其中返回舱重3000000kg。返回舱外形主体实际上也是一个光帆。

这套恒星际航行太阳帆的动力装置,包括一个巨型激光器和一个大型聚光镜。为了有效地利用太阳能,激光器绕水星轨道运行,把收集到的太阳能转化成相干性极好的激光束,聚焦镜位于土星和天王星之间的轨道上,它的直径也是1000km,总重56000000kg。它用于将激光器发出的光能,等频率和相干性地转换成直径1000km的均匀激光辐射。这样大的尺寸可能保证在0.378*1015km内激光束不至于有较大的分散,以使探测器受到均匀的光压。根据Forward计算,激光器发出光能的功率可达43000TW(注意:80年代中期,整个地球产生的电能约为1TW)。这样高功率的激光,照射到探测器的巨大光帆上,产生的光压可达到0.3g的加速度。这也就是说,激光器和聚焦镜系统提供给探测器的推力达24000000kg。这个加速度可使探测器在1.6年时间里达到0.5c的速度,在地球时间20年后到达0.111*1015km外的波江座。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:50:14 | 显示全部楼层

核火箭

l         核裂变火箭

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员在乔治·查普林的领导下,设计出了概念型、可控高速粒子的裂变碎片反应堆。该反应堆类似于一大摞唱片唱片主体由石墨构成,石墨上有放射性核燃料(如钚和镅)。工作时,唱片旋转着进入圆柱形塔,同塔中其他放射性物质接触后迅速发生可控链式裂变反应。附加在唱片状反应堆上的强大磁场将反应产生的裂变碎片束缚在一起,以同一方向喷射而出,喷射所产生的巨大的反作用力能把火箭推到极高的速度,即每秒1.8万公里,约为光速的6%

为使火箭飞行速度达到光速的十分之一,即每秒3万公里,弗里斯比提议把两个裂变火箭叠加起来成为二级核裂变火箭。该火箭第二级将能有效地将火箭(探测飞船)推到光速的12%。这样,人类可经过46年漫长的星际旅行,进入阿尔法人马座恒星系中类似地球的行星的轨道。

l         核聚变火箭

弗里斯比认为,因为核聚变是将原子核结合在一起而不是将原子核分裂,所以该火箭的发动机在获取能量的方式上要比裂变发动机完美得多。聚变反应堆能够减少产生一些不必要的放射,另外聚变堆很容易获得补充燃料。这是因为在月球的表面和木星的大气中存在大量的燃料氘和氚。这意味着,采用利用核聚变火箭作为交通工具可在太阳系内的月球或木星上补充燃料,然后继续星际旅行。但遗憾的是,科学家经过了数十载的努力,至今仍没有造出一个能正常工作的核聚变反应堆。美国新泽西国家球形环试验装置(NSTX)和联合欧洲环(JET)等聚变实验平台将氘和氚原子核约束在磁场中,并加热至数百万度,当原子核发生碰撞并结合时有能量释放出来。但是,眼下这类试验所耗能量几乎是其产生能量的两倍。不过,弗里斯比乐观地认为,聚变技术已不再遥远。一旦科学家掌握了受控核聚变,那么他们将控制反应中产生的带电粒子,并让它们从喷口喷射而出。从核聚变反应堆喷出的粒子能使二级火箭的速度达到光速的12%

已经研究了三种不同类型的能把热量传递给工质的核能源。工质通常是液氢,它受热后在喷管内膨胀、加速到很高的速度(60009000m/s)派出。然而,至今没有一种核能源已经认为是发展成熟的,也没有一种可用于飞行。他们是裂变反应堆、放射性同位素衰变源和聚变反应堆。这三种类型的核火箭发动机都是在液体火箭发动机的基础上扩展的。气体由原子核内部转换产生的能量加热。化学火箭发动机能量来自于推进剂,而核火箭发动机中能源一般与推进剂无关。

 楼主| 发表于 2008-12-1 10:50:29 | 显示全部楼层

反物质推进

阿尔伯特·爱因斯坦著名的能量方程(Emc2)表明:物质是能量的一种浓缩形式。裂变和聚变反应仅仅将1%的反应物质转化成了能量。然而事实上,有一种方式能使物质与能量的转化率接近100%,这就是将物质与其镜像孪生兄弟反物质相结合。物理学家让接近光速的基本粒子进行猛烈碰撞后获得了少量的反物质。瑞士CERN高能物理实验室的科学家不久前捕获1百万个反氢原子。应该看到,反物质将是星际旅行火箭的重要燃料。然而,想要获得星际旅行火箭所需的大量反物质,也许是件不可思议的事情。但弗里斯比表示:这是一种相当直接的方式,我们已经拥有了产生反物质所需的磁场、辐射体和粒子束。在反物质火箭中,一定量的反氢原子和等量的氢原子在燃烧室内混合发生燃烧。如果双方各自重量为半磅,那么在结合湮灭时所产生的能量将比10兆吨氢弹释放的能量还要大,伴随能量喷出的还有π介子和μ介子粒子流。采用同裂变火箭类似的方式将粒子束缚起来,让它们从喷嘴喷出,其喷射速度将达到光速的三分之一,这样火箭的最高速度将可达到光速的66%

1982年,在美国空军科学研究办公室、国家科学基金委和国家航空航天局支持下,费米实验室、喷气推进实验室、宾夕法尼亚大学空间推进工程中心、洛克韦尔国际公司和联合技术研究中心等单位开始进行反质子生产、捕捉、贮存以及利用反质子湮灭反应产生的光子定向射束进行推进的概念研究。这种光子发动机构想是利用反质子与质子湮灭反应产生的有巨大能量的光子和中微子束来产生推力。这种反质子湮灭反应产生的能量密度高达91016J/kg左右,比核裂变反应能量高三个数量级。若利用它对500吨的航天器作150天的火星往返航行推进,计算仅需要31g反质子。目前,这种发动机的概念和方案还未确定,还只有少数单位能生产反质子和研制反质子收集器,而且反质子的生产量很低,不足以用于发动机试验。

 楼主| 发表于 2009-1-11 01:29:11 | 显示全部楼层
  未来,当人们探索太阳系带外行星时,人类要做的不仅仅是发射一些与它们迅速擦肩而过的小型探测器,而且将把航天器送入围绕着这些庞然大物的轨道,或者让机器人降落到它们的卫星上,甚至采集那里的岩石和土壤样品带回到地球。最终,我们还会把宇航员运送到这些新奇、令人神往的卫星上。相信在它们之中的一些卫星上存在着大量生物赖以生存的  
液态水。

  如果要完成这些使命,我们需要一种靠核动力来驱动而不是靠化学燃烧驱动的火箭。尽管化学火箭也十分出色,但与核火箭相比,给定燃料有限,因此产生的能量相对较少,极大地限制了航天器。例如,由于化学燃料驱动的航天器的质量受到了严格的限制,因此如果要到达带外行星,必须要借助于行星引力。当航天器与行星足够近时,行星引力场就象弹弓一样加快它的飞行速度。如果要借助行星引力,设计者们需要等待选择合适的时机发射,以使航天器朝着定位合适的行星方向飞去,以提高飞行速度,到达更遥远的天体。

  从技术角度来说,化学火箭的最大速度增量很小,也就是说,这种火箭的排气速度不够大,不能给予火箭很高的速度。最好的化学火箭利用氢氧的化学反应,它给予航天器脱离地球轨道时的最大速度增量为每秒钟10千米。

  相反,核火箭提供的最大速度增量可达到每秒钟22千米,使航天器能够直接到达土星,飞行时间减少到三年,而传统航天器则要花费七年的时间。核火箭非常安全而且有利于环保:与人们平时的想法相反,发射核火箭时,放射性并不强。载有核助推器的航天器作为普通化学火箭头部的有效载荷被发射出去。当有效载荷进入地球高轨道时,即大约800公里以上,核反应堆开始工作。

  反应堆中的核燃料由一些带孔的金属板卷成筒而成,中间是空心的。燃料卷筒外覆盖一层缓和剂--氢化锂,用来降低核裂变时在燃料中产生的中子的速度。冷却剂--液氢从外部进入燃料卷筒,受热之后,迅速变成气体流向中间的空心。大约2,700摄氏度的过热气体会以很快的速度沿着卷筒中心的通道流动,最后穿过末端的小喷管。

  核动力推进装置的一个诱人之处在于它能从太阳系外的巨大行星中的气态氢或从遥远的卫星和行星上的冰中获取大量的推进剂-氢。由于核燃料的使用时间相对较长,因此从理论上讲核驱动的航天器可在太阳系外飞行10到15年,必要时可补充推进剂-氢。航天器能在木星、土星、天王星和海王星的大气层飞行数月,收集有关星球构成、天气条件及其他特征的详细数据。此外,它还可以飞到木卫二、冥王星或木卫六,采集岩石样品,通过电解融化的冰水收集氢气补充动力原料,然后再返回地球。

  核反应堆在离地球很远的地方才开始工作,因此核动力的航天器实际上可以做得比化学燃料驱动的深空探测器还要安全。在太阳系外,太阳光非常微弱,难以为探测器上的仪器提供能量。因此,它们通常使用钚238作为动力源,钚238即使是在发射航天器过程中放射性也很强。另一方面,核动力驱动的探测器中的反应堆不仅产生推力,也为各种仪器提供能量。此外,完成一次深空飞行只生成大约1克的裂变产物,且在任何情况下都不会返回到地球上,因此产生的放射性废料可忽略不计。

  核火箭并不属于新鲜事物。美国国防部在20世纪80年代就曾提出了太空核热推进计划。这项计划的目标就是研制一种轻型小巧的军用核能发动机,如:把重型有效载荷发射到地球高轨道。这一方案是在粒子床反应堆的基础上设计出来,反应堆中的燃料是由很小的压缩碳化铀粒子构成的,在碳化铀的外面还涂有碳化锆。尽管在制造核能发动机之前,离子床反应堆的研制工作才结束,但工程师们按照这种设计成功地制造并启用了小功率反应堆,并且还验证了可获得高功率密度.
    很显然,我们使用化学火箭探索带外行星及其卫星的可能性微乎其微。近期,只有核火箭能够提供所必需的动力、可靠性和灵活性,使人类对太阳系深处的神秘世界有更深入的认识。 
 楼主| 发表于 2009-1-11 01:29:28 | 显示全部楼层
反物质火箭

 构成世界的物质可以细分到原子。原子是由较重的原子核和电子构成的。以质子和中子组成的原子核位于原子的中心,电子像云一样包围着原子。这些都称为基本粒子,物质世界是由它们组成的。
 质子电子就分别带着同样大小的正电荷和负电荷,这是非常对称的。但是,令科学家困惑不解的问题是:质子的质量却是电子质量的1800倍,这是不对称的。同时,科学家们在研究原子结构时,又遇到了“负能态空穴”难题,即根据原子理论计算,出现了能量为负数的结果。
 后来,人们逐渐认识到,在那些基本粒子中,还存在一种完全对称的“反”基本粒子!带负电荷的电子对称存在质量相等的带正电荷的反电子;带正电荷的质子对称存在质量相等的带负电荷的反质子;中子对称存在反中子。
 但是,这些反粒子只能存在于宇宙射线中,不能在自然界中存在。科学家们通过加速器高能实验的方法,可以人工生成极少量且只能在极短的时间存在的反粒子。
 通常粒子和反粒子(或通常的物质和反物质)一旦接触,两者就会瞬间消灭,全部质量转化为光之类的能量,这种反应称为双消灭反应。宇宙大爆炸时,每生成300亿颗反粒子,就会同时产生300亿零1颗正粒子。在大爆炸发生后的百万分之一秒内,正反粒子因发生双消灭反应,相互湮灭了,而剩下的就是多出的那一丁点儿正物质(其实总正粒子数仍异常巨大),演变成现今我们熟知的宇宙。
 正反粒子双消灭反应的事实使得著名的爱因斯坦方程式E=mc2得到证实。这个反应放出的能量相当于核裂变反应的1000倍,如果用于火箭推进,就可以成为反物质火箭。
 现在火箭推进使用的是化学燃料,它能变换成能量的质量不过是总质量的十亿分之一左右。我们知道氢弹的威力——那是把作为核炸药的氢的0.7%转化的能量的结果。如果全部氢都转化为能量,一颗同样大小的氢弹的破坏力将是上述情况的140倍!如果使用反物质,就能达到百分之百转换成能量的目的。1毫克反物质(反氢燃料)与通常物质(氢然料)反应时放出的能量,相当于10吨液态氧和液态氢燃料。
 据航空专家说,反物质火箭发动机采用等离子体核心型引擎最为合适。如果研制成功,吨重的深测器,以光速1/10的巡航速度飞往距离地球4.3光年的恒星半人马座X星,只需要4吨液态氢和80公斤的反物质。
 楼主| 发表于 2009-1-11 01:29:43 | 显示全部楼层

 楼主| 发表于 2009-1-11 01:30:00 | 显示全部楼层
在距离太阳比较近的时候,还能利用一些太阳风的推动力,不过光压才是核心推动力,因为太阳风产生的压力还不到光压的0.1%,完全可以忽略(注意:某些国内读物上说光帆利用太阳风来推动的说法是错误的!)光帆这样的推动系统不能算发动机,但却是所有介绍未来宇航方式的资料中都会讲述的重要方法。

  由恒星产生的光压带来的推力是非常低的,这意味着利用光帆的航行的起点和终点都必须在太空中,必须由其他的宇航工具送上太空,并在太空中展开。对比而言,前面介绍的离子发动机虽然目前推力很低,但毕竟有能够从星球上起降的发展前景,光帆则永远需要依赖于别的手段。但如果我们将来有了大型的太空站以至太空城市的话,那么光帆用起来就方便得多了。
首先要注意的是,为了能够航行并且携带一定的有效载荷,光帆的面积必须非常巨大,才能获得足够大的推力。我们现在所试验的光帆都仅仅几十米宽,但在实际应用中,光帆的尺度需要以公里来计算。而同时,还必须特别薄,以减轻重量,目前看来最适合的物质应该是碳纤维制品,因为碳纤维制成的光帆厚度可以只有几微米,而且这种材料也是少数几种能够承受来自太阳的热和辐射的材料之一。

  光帆的理论基础是,当光被反射的时候,就从光子传递给光帆一个动力产生加速度。被反射的能量越多,获得的动力就越多。也就是说,光帆表面的反射性能越好,其效果就越好。

  自然,在光帆方面的发展重点就是如何进一步寻找这样的可以很大、很薄、很轻、反光性好、而且不会因为陨石的打击而撕裂的材料。

  光帆最大的好处是它们有免费的推进系统,既不需要发动机,也不需要燃料,节省了大量的重量,而且可以长期加速,这两者结合意味着它最终能达到很高的速度。在距离太阳1个天文单位的距离(也就是地球附近),阳光的压力是每平方千米9牛顿,对比起来,航天飞机的推力是要以百万牛顿来计算。但航天飞机很快就把它的燃料用光,由于这个原因,传统的火箭发动机的极限大概是每小时3万英里左右,想再快的话,就必须利用行星的引力来加速。而不用燃料,能够长期加速的光帆飞行器要最终加速到每小时20万英里并不难。也就是说从长期看,光帆一定是更快的,更节省时间,这对于行星际航行,尤其是恒星际航行来说是非常重要的。我们可以用它来完成恒星际的先驱航行任务,虽然即使再发展也难以用它来完成星际间的定期航行。

  利用太阳光的话,缺点很明显,首先是如同上文说的光帆的推重比极其微小,其次是当使用光帆的飞行器远离太阳,阳光的密集度越来越低,压力会越来越小,直到最终可以忽略,也不再对光帆施加压力并产生加速度。

  针对上述弱点,人们从上世纪80年代开始就提出一些办法来解决这些问题。其设想是在绕地球轨道,或者环绕太阳的轨道以至月球上安装一组激光器或者微波发送器,用它们的力量来推动光帆。由于人工的方式可以让能量比阳光集中,所以其效果要大大好于阳光,并且能解决深空航行的问题。美国宇航局最近的研究说这样的飞行器速度能最终达到光速的1/10(大约是每秒3万公里),而有更乐观的观点认为能达到光速的一半。
第一个提出用激光航行的人是Robert Forward,不过他提出的使用一个1000公里的透镜、产生1亿亿瓦特激光、以及1000公里的帆这样的设想虽然很壮观,但实在是缺乏可操作性。所以,这个方案就被其他人进行了修正,把效果降低,但方案变得更现实(尽管还是有些异想天开,比如“仅仅”1百亿瓦特的微波激光)。

  这样航行方式遇到的一个困难就是,激光束在如此遥远的距离上会扩散得很大,这就是为什么Robert Forward要建造巨帆的缘故。而且激光技术必须得到大幅度的发展,以便瞄准数百万公里外的目标。

  微波可以起到同激光同样的效果,不过帆的设计上要有些修改,要改成金属丝网结构,但这个金属丝网的缝隙必须比微波的波长的一半还小。这样的飞行器上放的应该是无生命的机器人以及机器,由于微波在短距离上具有比激光更好的效果,所以可以更快的加速直到进入巡航速度。虽然由于波长比激光大得多从而在远距离上微波不如激光,但微波需要的能量要少于激光,距离我们现在的技术能力更近。
 楼主| 发表于 2009-1-11 01:30:15 | 显示全部楼层

 楼主| 发表于 2009-1-11 01:30:30 | 显示全部楼层
  对于使用微波或者激光来航行的光帆来说,一个挑战就是如何在目标附近停下来并进入轨道。最普遍的建议是使用多重帆,比如使用两级帆,分为内帆和靠外的主帆,这样,让激光照射到靠外的主帆上,然后反射到内帆上,这会让外面的主帆加速远离目标,但和飞船结合在一起的内帆则得到减速,主帆被抛离,小一些的内帆成为主帆并进入轨道。

  如果使用三级帆,甚至可以进行往返飞行,停止的方式和上面一样,到了该返航的时候,第三级则和第二级分离,来自太阳系的激光则从第二级帆反射回第三级从而进入回程。这要求帆具有一点凹面镜的形态,以便让反射的光束更集中。

  另外一个用于停船的更有创造力的思路是,关掉激光束,然后飞船伸出带电的金属线,同恒星的磁场作用,来让飞船转入一个很浅的弧线轨道,最后再把激光束重新打开。

  但是,设想虽然好,但是在实际操作中却要遇到三个重大的问题:

  第一个是激光和微波指向装置必须非常精确,而且随着距离越远,难度越大;
  第二个是飞船只能携带很少的有效载荷;
  第三个,也是最严重的问题是,这样的距离无法和地球这里及时联络,如果遇到什么情况,需要地球这里进行调整的话,根本无法进行。比如,当飞船距离基地只有2光年的距离时,就需要四年多才能调整,其中两年用于无线电波返回基地,两年多(因为要加上这4年中飞船又走的距离)用于调整后的激光到达并产生效果。

  对于不用激光和微波主动加速的光帆飞船来说,问题反而简单,因为速度没那么高,所以在到达临近恒星的时候只要利用那颗恒星的光压减速就可以达到合适的速度,并收起光帆进入轨道,所需要的只是有一个合适的智能系统来完成这一切。

  而对于行星际定期航行,主动加速的方式就可以很有用,前提是我们已经到达目标星球,并在那里也安装一组激光或者微波发送器,这样,就可以建立一个行星际的高速公路。

这里顺便说说磁帆(Magsail)。磁帆还是很新的概念,由Robert Zubrin和Dana Andrews提出。光帆利用的是光压,而磁帆利用的是恒星风(在我们太阳系自然就是太阳风)。

  磁帆的结构很简单,就是用一个直径几毫米的超导电缆(由于太空中的低温,实现超导很容易)来构成一个环。从而产生磁场偶极(dipole),并在太阳风中航行,它还能通过调整环的方向来产生一些浮力,从而能进行航向控制。

  由于结构简单,磁帆恐怕要比光帆更轻也更便宜。而且也可以象发射激光那样,用粒子加速器向磁帆发射带电粒子,而效率可以比激光好大约6倍。并且,让磁帆减速和机动远远比光帆容易。

  当然,目前存在的技术困难也很多,发展磁帆需要在超导、热控和行星磁场附近的操作方面获得进展。
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