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未来航天器


未来航天器
一.太阳帆飞船 太阳帆飞船是利用太阳光为主要推进能源的航天器。我们知道阳光是由没有静态质量但有动能的光子构 成的,当阳光照在太阳帆上时,光子会像许许多多乒乓球撞在墙壁上一样被弹回去,“墙壁”(太阳帆) 会受到一个向前的反作用力,单个光子的单位推力很小,距太阳一个天文单位时,一平方米表面光滑物体 所受的力仅为 0.000009N(距太阳越远,这个值还会减少),

但只要太阳帆足够大,太阳帆飞船便会像航 船一样快速运动起来,太阳帆飞船的构思就来源于此。

人类很早就学会了制造帆,利用自然界的风这种免费而无限的动力来弥补划桨力量的不足。对于正在探 索宇宙的人类来说,现代飞船有限的化学燃料能提供的动力同样不是很有效。太空中虽然有太阳风(从太 阳外层大气不断发射出的稳定的离子流)这种可以同地球上的风相比拟的动力,但令科学家们感兴趣的是 推动力比太阳风大 1000 多倍的太阳光。 我们之所以在炎炎的夏日下也感觉不到任何阳光的压力,是 因为它实在微小,一平方公里面积上的阳光压力总共才 9 牛顿。但太空中运行的航天器处于失重状态,又 无空气阻力,所以轻微的推力(太阳光的压力)就可以让它加速,“宇宙一号”靠的就是它的光帆——非常 轻而薄的聚酯薄膜,它们坚硬异常,表面上涂满了反射物质,使得它的反光性极佳,当太阳光照射到帆板 上后,帆板将反射出光子,而光子也会对光帆产生反作用力,推动飞船前行。因此,光帆的直径越大,获 得的推力也越大,速度也将越快,改变帆板与太阳的倾角可以对速度进行调整。

而且,阳光的好处是不会枯竭,同火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比,太阳光是无限的动力之源, 只要有阳光存在的地方,它会始终推动飞船前进,光帆将以每秒约 1 毫米的速度加速移动。如果把它当作 真正的宇宙飞行器使用,那么它在展开光帆 1 天后,按理论计算,它的时速将增加到 160 公里,100 天后 飞船的时速将达到 16000 公里,如果它能持续飞行 3 年,速度会被提升到每小时 16 万公里,这是人类任何 飞行器都没有达到过的速度,相当于人类的宇宙探测先驱“旅行者”号探测器飞行速度的 3 倍。如果用它 来探测冥王星的话,可以在不到 5 年的时间里达到,而最快的传统飞船至少需要 9 年,美国宇航局使用普通 飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

二.冲压喷气宇宙飞船 日本科学家设想了 1g 加速的冲压喷气宇宙飞船。这个设想的巧妙和可贵之处在于返朴归真。1g 加速的 返朴归真,是它能使人感到始终像是生活在地球上。而冲压喷气则回复到航空时代,冲压喷气飞机就是用 高速冲压,吸取空气,让汽油燃烧,产生高温高压燃气,向后高速喷出,产生反作用力,推动飞机前进。

1g 加速冲压喷气宇宙飞船的最大返朴归真,是利用宇宙中天然的能源。在广阔的宇宙空间,虽然是高 度真空,但仍然散布着氢分子和氢原子,在星际分子云中每立方厘米达 1 万个左右。科学家们设想,在宇 宙飞船的前端,安装一个巨大的漏斗形氢采集器,让它在飞船前进的过程中,将散布在宇宙空间中的氢收 集起来,作为飞船的加速能源。 氢的利用办法,一是让它进行核聚变反应,用它产生的高温加热工质,然后高速喷出,产生推力,使 宇宙飞船加速。这就是核火箭发动机。二是将收集来的氢,与反氢相遇湮灭。氢与反氢在双双湮灭成光子 的同时,放出大量热能,如果用这种热量加热工质,高速喷出,用反作力使飞船加速,那就是反物质火箭 发动机。如果让光子在抛物面反射镜的焦点上产生,经反射镜反射后一致向后发射,也就是向后喷射光子, 那就是光子火箭发动机。 1g 加速冲压喷气宇宙飞船还有一个最大的优点, 那就是随着飞船速度的不断提高, 收集的氢不断增多, 这正好满足了因飞船质量不断加大,加速更困难,需要更多能源的需要。

三.空天飞机

空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器。它像普通飞机一样起飞,以高超音速在大气层内飞行,加 速进入地球轨道后,成为航天飞行器,返回大气层后,像飞机一样在机场着陆。

为什么要研制空天飞机? 现代航天运载工具的“胃口”极大,像“土星”5 号火箭发射时每秒钟要消耗 15 吨液氧和煤油,这些推 进剂必须自行携带。因此,它们都不能用单级推进器送上太空,至少要有二级。 将来人们去太空旅行就像今天乘飞机一样简单,当然不能再用多级航天运载工具。科学家为此设计了一 种空天飞机,它的外形很像大型客机,可是安装着 3 种截然不同的发动机。 空天飞机是在跑道上水平起飞,由普通飞机用的涡轮喷气发动机驱动,但是以液氢为燃料。当加速到 3 倍音速以上时改由冲压式发动机推进。这种发动机结构简单,可是必须在高超音速下工作。空天飞机高速

前进时,进气道大量吞吸空气,并从中分离出氧气,源源不断地与液氢一起流进燃烧室。由于从大气层中 取氧,空天飞机可以少带许多液氧上天,减轻了起飞重量。当空天飞机飞到大气层边缘时,无法再从外界 获得氧气,冲压发动机又让位给火箭发动机,用自身携带的液氧和液氢作推进剂,完成最后一段旅程。 空天飞机的起飞重量仅为航天飞机的 1/10,地勤人员也从 1.5 万人减少到 100 人左右。它还可以作为 一种高速洲际交通工具。 优点 空天飞机能自由往返于天地之间,凡是航天飞机能干的事,它几乎都能胜任。它可以把大的卫星送入 地球轨道,一次投放多颗卫星更是它的拿手活儿;它能对在轨道上运行的卫星进行维修或回收,当然也可 以对敌国的卫星实施破坏,甚至收为己有;它能向空间站运送或接回宇航员和各种物资;更重要的是它还 能执行各种诸如拦截、侦察和轰炸等军事任务,成为颇具威力的空天兵器。 空天飞机飞行速度很快, 便于实现全球范围内的快速客运,地球上任何两个城市间的飞行时间都用不了 2 个小时。美国设计的一种 空天飞机,乘客 305 人,可在 32 公里高度和 1.2 万公里航程内巡航,其巡航速度高达 5 马赫数。 尽管航 天飞机比起一次使用的运载火箭前进了一大步,但仍有诸如故障频繁,费用昂贵等许多不足。而空天飞机 与航天飞机不同,它的地面设施简单,维护使用方便,操作费用低,在普通的大型机场上就能水平起飞和 降落,具有一般航线班机的飞行频率。这种飞机的外型与大型客机相似,更多地具有飞机的优点。它以液 氢为燃料,在大气层飞行时,充分利用大气中的氧气。加之它可以上百次的重复使用,真正实现了高效能 和低费用的优点。据估算,用它发射近地卫星费用只有航天飞机的 1/5,而发射地球同步卫星费用则可减 少一半。这使空天飞机在即将到来的空间商务竞争中立于不败之地。


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