航天推進技術,跨越太空探索新高度

來源︰ 解放軍報作者︰ 周新紅 楊利平責任編輯︰梁方圓2014-09-18

太空進發

強力驅動

揚帆遠航

核心提示

據外媒報道,8月6日,歐洲航天局宣布,2004年3月發射的“羅塞塔”彗星探測器,經過10年總長約64億千米的太空飛行,于當天按計劃進入了環繞“丘留莫夫-格拉西緬科”彗星軌道,成為人類史上首個近距離環繞彗星飛行的航天器。國際評論指出,未來型航天推進技術正在發生重大變革,將為實現人類深入探索利用宇宙空間宏偉目標奏響新樂章。

視點聚焦

邁向宇宙空間

一部人類的航天史,也就是航天推進技術蓬勃發展的歷史。

憶往昔,前蘇聯在研制成功多機組合液氧/煤油液體火箭發動機後,于1957年發射了第一顆人造地球衛星,並于1961年第一次將航天員送入太空。美國在制成大推力助推發動機和高性能液氧/液氫發動機後,于1969年成功進行了載人登月飛行。1981年美國“哥倫比亞”號航天飛機首航成功,它使用了大推力、高性能和可重復使用的火箭發動機。

隨著近地空間探索技術的逐步成熟,人類將目光投向了以太陽系為核心的宇宙深空,這其中推進系統起著至關重要的作用。美國1977年發射的“旅行者”1號探測器,至今經過37年的漫長飛行距太陽140億千米,采用電推進技術進行多次軌道機動和姿態保持是保證整個飛行任務的關鍵。而“羅塞塔”彗星探測器上安裝有多達24台各型推進發動機,從而實現了精確的姿態軌道控制。而今,太空推進技術正在把人類航天事業加速推向新的高度。

化學推進 應用廣泛發展受限

化學推進技術是利用化學能將運載器送入預定空間軌道和實現航天器在軌機動的技術,主要是指以液體和固體化學燃料燃燒產生的能量,通過尾部噴射高速氣體實現向前推進。

從1926年美國人戈達德研制成功以液氧/汽油為推進劑的液體火箭發動機至今,化學推進技術已經有近百年的發展歷史,目前其基本理論、配套體系和應用技術等已相當成熟。化學推進最突出的特點是可以提供受控制的大推力,因此一直以來是航天發射、航天器在軌機動和態勢控制中使用最多的推進技術,目前世界上絕大多數運載工具和95%以上的航天器均采用化學推進技術,而且在可預見的將來仍將發揮重要作用。

進入新世紀以來,隨著人類利用和探索宇宙空間範圍和深度大大拓展,航天大國競相出台新的太空政策,因而又掀起了新一輪以深空探測為標志的太空探索熱潮。可是化學推進因固有的缺陷,已經難以滿足未來深空探索的需求。

化學推進最主要的不足是能量密度低,需攜帶大量燃料,所以單純依靠化學推進來提高噴氣速度加速航天器的方法已接近極限。目前液體和固體火箭發動機所攜帶的燃料要佔到總重量90%以上,有效載荷只佔1%∼1.5%,而且必須有2∼3級火箭持續推進才能將航天器送入軌道,很難將航天器加速到更高速度。

同時,由于深空探測器在軌運行時間長,航天器發射升空後無法進行燃料補充,燃料耗盡後航天器便有變軌失敗、姿態失控等危險,因此探索航天推進新技術成為大勢所趨。

技術變革 獨闢蹊徑潛力巨大

新型推進技術是相對于傳統化學推進技術而言,目前世界航天大國正在緊鑼密鼓研究各種推進新技術,以滿足未來發展需要。

微波推進。微波推進主要是依靠微波發生器產生的微波能量提供推進器所需能源。微波推進器既可使用內部集成的微波源,也可使用外部微波源,甚至也可以使用遠距離微波束來傳遞能量,從而使能源供給系統與航天器分離,徹底簡化航天器結構,增強系統可靠性。

電推進。電推進是由太陽能或核能經轉換裝置獲得高能量,形成高速射流來產生推力推進航天器飛行。電推進具有比沖高、壽命長等特點,尤其航天器發射後,無需再補充能量。當有太陽光照射時,利用太陽能電池產生能量;當長時間背離太陽時,可利用放射性同位素衰變來產生能量。

光帆推進。光帆推進是利用太陽光及其它粒子流照射來提供足夠的動力驅動航天器飛行。作為光壓推進最簡單例子就是太陽帆,如同把一面鏡子放在太空,它會受到太陽光壓而推動前進。用在深空探測器持續加速上,理論上講只要有光線,就可提供持續的動力。

核能推進。核能推進的能量密度約為化學能量密度的數百萬倍,這種高密度能量使核能推進成為大推力推進技術的理想選擇。但因可能存在一定環境污染,所以不會用在運載火箭第一級動力。不過因其大功率、高效率、本領高強,其發展前景不可限量。

未來應用 前景廣闊意義深遠

少數航天大國早有預言,未來誰能控制太空這個制高點,誰就將取得戰爭的主動權。

近年來的幾場高技術戰爭,以衛星為核心的航天系統大顯身手,表現出巨大的軍事應用價值。特別隨著新型推進技術的加速發展,必將對未來航天系統產生巨大的變革性影響。

新型推進技術將大大延長航天器在軌壽命。目前,在軌運行的航天器因需要軌道維持、姿態調控等,都有一套復雜推進系統,需攜帶大量燃料,其總重量可佔航天器總重的1/3甚至一半以上。燃料耗盡後航天器便失去控制,或成為太空 “垃圾”,或逐漸墜落到大氣層中燃燒殆盡,可以說推進系統壽命決定了航天器在軌壽命。若將新型推進技術投入應用,不僅可精簡整體結構,減少燃料攜帶量,增加有效載荷,更能通過源源不斷的能量補充,使航天器壽命成倍提高。

未來,新型推進技術將以其結構簡單、攜帶燃料少等特點,成為小衛星設計制造的關鍵,並可保證組網衛星長壽命運行。

更為重要的是,新型推進技術為人類全面探索利用宇宙空間提供了可能的新技術手段。比如采用核火箭加速到更高速度,可大大縮短到其它行星的時間;利用光壓推進“太陽帆”飛船,可獲得無窮盡的能源,使之能長時間遨游太空。屆時,太空探索必將呈現出前所未有的新景觀。

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