航天器中的动力问题，本文主要内容关键词为：航天论文,器中论文,动力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
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谭。如何给飞行在太空中的航天器提供动力，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。本文结合中学物理的有关知识，对遨游在太空中的航天器的动力问题进行粗浅的探讨。
一、火箭推进器
34年前，人类实现具有历史意义的登月之旅，开始揭开了太空的神秘面纱。帮助人类实现这一壮举的第一功臣便是火箭推进器。至今它仍然是人类探索太空的主要动力来源。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6人的团体从地球到火星，发射总重量也将超过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。
远途的和长时间的太空旅行，携带能源上天并不是个好办法。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。
二、光帆推进器
现代航天器的活动范围大都局限于太阳系内，如果能利用太阳光作为航天器的动力来加速或改变航天器的运行方向，那么它理所当然地将成为航天器动力的最佳来源。由此科学家们便想到了——光帆推进器。这种装有太阳帆的航天器以阳光作为动力，不需要火箭也不需要燃料，只要展开一个仅有100个原子厚的巨型超薄航帆，即可从取之不尽的阳光中获得持续的推力飞向宇宙空间。它飞行起来很像大洋中的帆船，改变帆的倾角即可调整前进方向。而且只要几何形状和倾角适当，它可以飞向除光源之外的任何方向。借助阳光的推力，这种航天器可以飞向太阳系的边缘并进入星际空间。请看下例：
例1 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，光子被物体吸收或反射时，光都会对物体产生压强，这就是“光压”。
（1）一台二氧化碳气体激光器发出的激光功率为P[，0]=1000W，射出的光束的横截面积为S=1.00mm[2]，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？
（2）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平方米面积上得到的太阳光能为1.35kW，探测器的质量为M=50kg，薄膜面积为4×10[4]m[2]，那么探测器由于光压作用而得到的加速度为多大？
解析（1）由E=hv和p=h/λ以及真空中光速c=λv，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
可见，光压推动航天探测器的加速度虽然很小，但通过长时间加速后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。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。
三、离子推进器
因为光子推进器是靠太阳光的光压推动而加速，其加速的方向只能沿着远离太阳的方向，故存在很大的局限性。而利用经电场加速后的离子气体的反冲（离子推进器）来加速航天器，则不存在上述的局限，请看下面二例：
例2 “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，比如氙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电场加速，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1.7×10[4]km/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。
已知飞船的质量为m，所用气体离子的荷质比（电荷量与质量之比）为k，气体离子高速喷出形成的等效电流为I，气体离子喷出时的速度为v。
（1）求飞船的加速度a的表达式。
例3 有一种航天器利用电场加速带电粒子向外发射粒子流，利用反冲使航天器得到加速。设该航天器的质量为M，发射二价氧离子，每个氧离子的质量为m，元电荷为e，电场发射离子的电功率为P，加速电压为U，不考虑发射粒子后航天器质量的变化。求：
（1）氧离子射出时的速度v；
（2）每秒钟射出的氧离子数n；
（3）航天器得到的加速度a。
解析 氧离子由静止在加速电压U的加速下，电场力做功等于其动能增量，可求速度v；由电功率和电压可求电流强度I，而I=Q/t=2ne/t，于是可求n；对射出的氧离子用动量定理，求出氧离子受到的冲力的大小，即航天器受到的反作用力的大小，于是可求得加速度a。简解如下：
离子推进的有效性已在宇宙飞船上得到的证明，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彗星，并拍摄多张照片。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。
四、弹弓效应
当空间探测器从行星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。请看下例：
例4 如图1所示的是“弹弓效应”示意图，
即不能使探测器速率增大。
可见，当飞船掠过行星时，利用弹弓效应它会盗取行星的部分轨道动能，这对质量巨大的行星不会造成什么影响，却能够显著提高飞船的速度。例如，当“伽利略”号探测器在1990年经过地球时，它的速度增加了18700km/h，与此同时地球在运行轨道中速度只减少了每年不到50亿分之3厘米。如此借助引力，是对推进系统的有益补充。
五、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。