航天推进技术,跨越太空探索新高度

来源: 解放军报作者: 周新红 杨利平责任编辑:梁方圆2014-09-18

太空进发

强力驱动

扬帆远航

核心提示

据外媒报道,8月6日,欧洲航天局宣布,2004年3月发射的“罗塞塔”彗星探测器,经过10年总长约64亿千米的太空飞行,于当天按计划进入了环绕“丘留莫夫-格拉西缅科”彗星轨道,成为人类史上首个近距离环绕彗星飞行的航天器。国际评论指出,未来型航天推进技术正在发生重大变革,将为实现人类深入探索利用宇宙空间宏伟目标奏响新乐章。

视点聚焦

迈向宇宙空间

一部人类的航天史,也就是航天推进技术蓬勃发展的历史。

忆往昔,前苏联在研制成功多机组合液氧/煤油液体火箭发动机后,于1957年发射了第一颗人造地球卫星,并于1961年第一次将航天员送入太空。美国在制成大推力助推发动机和高性能液氧/液氢发动机后,于1969年成功进行了载人登月飞行。1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首航成功,它使用了大推力、高性能和可重复使用的火箭发动机。

随着近地空间探索技术的逐步成熟,人类将目光投向了以太阳系为核心的宇宙深空,这其中推进系统起着至关重要的作用。美国1977年发射的“旅行者”1号探测器,至今经过37年的漫长飞行距太阳140亿千米,采用电推进技术进行多次轨道机动和姿态保持是保证整个飞行任务的关键。而“罗塞塔”彗星探测器上安装有多达24台各型推进发动机,从而实现了精确的姿态轨道控制。而今,太空推进技术正在把人类航天事业加速推向新的高度。

化学推进 应用广泛发展受限

化学推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术,主要是指以液体和固体化学燃料燃烧产生的能量,通过尾部喷射高速气体实现向前推进。

从1926年美国人戈达德研制成功以液氧/汽油为推进剂的液体火箭发动机至今,化学推进技术已经有近百年的发展历史,目前其基本理论、配套体系和应用技术等已相当成熟。化学推进最突出的特点是可以提供受控制的大推力,因此一直以来是航天发射、航天器在轨机动和态势控制中使用最多的推进技术,目前世界上绝大多数运载工具和95%以上的航天器均采用化学推进技术,而且在可预见的将来仍将发挥重要作用。

进入新世纪以来,随着人类利用和探索宇宙空间范围和深度大大拓展,航天大国竞相出台新的太空政策,因而又掀起了新一轮以深空探测为标志的太空探索热潮。可是化学推进因固有的缺陷,已经难以满足未来深空探索的需求。

化学推进最主要的不足是能量密度低,需携带大量燃料,所以单纯依靠化学推进来提高喷气速度加速航天器的方法已接近极限。目前液体和固体火箭发动机所携带的燃料要占到总重量90%以上,有效载荷只占1%~1.5%,而且必须有2~3级火箭持续推进才能将航天器送入轨道,很难将航天器加速到更高速度。

同时,由于深空探测器在轨运行时间长,航天器发射升空后无法进行燃料补充,燃料耗尽后航天器便有变轨失败、姿态失控等危险,因此探索航天推进新技术成为大势所趋。

技术变革 独辟蹊径潜力巨大

新型推进技术是相对于传统化学推进技术而言,目前世界航天大国正在紧锣密鼓研究各种推进新技术,以满足未来发展需要。

微波推进。微波推进主要是依靠微波发生器产生的微波能量提供推进器所需能源。微波推进器既可使用内部集成的微波源,也可使用外部微波源,甚至也可以使用远距离微波束来传递能量,从而使能源供给系统与航天器分离,彻底简化航天器结构,增强系统可靠性。

电推进。电推进是由太阳能或核能经转换装置获得高能量,形成高速射流来产生推力推进航天器飞行。电推进具有比冲高、寿命长等特点,尤其航天器发射后,无需再补充能量。当有太阳光照射时,利用太阳能电池产生能量;当长时间背离太阳时,可利用放射性同位素衰变来产生能量。

光帆推进。光帆推进是利用太阳光及其它粒子流照射来提供足够的动力驱动航天器飞行。作为光压推进最简单例子就是太阳帆,如同把一面镜子放在太空,它会受到太阳光压而推动前进。用在深空探测器持续加速上,理论上讲只要有光线,就可提供持续的动力。

核能推进。核能推进的能量密度约为化学能量密度的数百万倍,这种高密度能量使核能推进成为大推力推进技术的理想选择。但因可能存在一定环境污染,所以不会用在运载火箭第一级动力。不过因其大功率、高效率、本领高强,其发展前景不可限量。

未来应用 前景广阔意义深远

少数航天大国早有预言,未来谁能控制太空这个制高点,谁就将取得战争的主动权。

近年来的几场高技术战争,以卫星为核心的航天系统大显身手,表现出巨大的军事应用价值。特别随着新型推进技术的加速发展,必将对未来航天系统产生巨大的变革性影响。

新型推进技术将大大延长航天器在轨寿命。目前,在轨运行的航天器因需要轨道维持、姿态调控等,都有一套复杂推进系统,需携带大量燃料,其总重量可占航天器总重的1/3甚至一半以上。燃料耗尽后航天器便失去控制,或成为太空 “垃圾”,或逐渐坠落到大气层中燃烧殆尽,可以说推进系统寿命决定了航天器在轨寿命。若将新型推进技术投入应用,不仅可精简整体结构,减少燃料携带量,增加有效载荷,更能通过源源不断的能量补充,使航天器寿命成倍提高。

未来,新型推进技术将以其结构简单、携带燃料少等特点,成为小卫星设计制造的关键,并可保证组网卫星长寿命运行。

更为重要的是,新型推进技术为人类全面探索利用宇宙空间提供了可能的新技术手段。比如采用核火箭加速到更高速度,可大大缩短到其它行星的时间;利用光压推进“太阳帆”飞船,可获得无穷尽的能源,使之能长时间遨游太空。届时,太空探索必将呈现出前所未有的新景观。

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