太空航行与作战技术导论

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第五节 第三种推进形式:光压推进系统与磁压推进系统(1/3)

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如同帆船可以乘著风前进一样,太空船也可以乘著光前进。采用此类推进方式之系统被称为光压推进系统。电磁波是具有动量的,马克斯威尔导出的电磁场方程序中便已指出这点。

光的辐射压效应是目前设计高轨卫星与行星探测船的主要考量因素,因为它造成的力矩会扰动太空船的航道,在一万哩的高度以上是太空飞行体的主要扰动来源。目前这种形式的光压动力被用在行星探测船上,但主要是用于姿态修正而非作为推力。比如航海家四号便以改变光压力矩作为姿态控制。作为主要推力的光压系统的最简单概念便是太阳帆,用一块镜子放在太空中,它自己就会受到太阳光压而前进。

太阳帆的制造在技术层面上有些麻烦,因为它必须非常薄,同时面积要非常大。但这并不是完全办不到的那种困难,而是效率方面会因为技术水平的不足而滑落。太阳帆目前已有成品,前苏联曾经在太空站上测试介于太阳帆与大面积反光板之间的产品,另外以光压为主要动力的太阳帆成品则是民间的一些业余团体作制造。「世界太空基金会」(ion)与「法国光子动力推进联盟」(frenciondela-onique)便已于几年前造出小型光帆航行载具,并希望能在1992年哥伦布发现新大陆五百周年时能让此太阳帆航向月球。但这些业余团体无法支付火箭发射费用,同时也没有其它班次的发射载具能让他们的产品搭便车,所以至今仍然没有发射入太空。

单靠太阳光压的光帆的优点不需要花费任何燃料成本,缺点是推力太低加速过慢,同时远离太阳的地方光压会过低。其推力可由以下公式求得:

f/a=2

根据经验太阳能流量(rflux)s=(3.1*10^25)/r^2

其中f/a为每平方米的推力值(牛顿),c为光速(3*10^8m/s),s为以瓦计的每平方米能量流束,r为自太阳起算的距离(米)。在距离太阳一个天文单位的距离下,日光功率约为每平方米1400瓦,面积一平方公里的太阳帆约可获得10牛顿的推力。若是假设此光帆重量为一公吨,则所获得的加速度仅有约千分之一个g左右,可用此数据来简单推估光帆系统的性能让大家有点概念。同样我们以标准太空船为计算对象,但将其一万吨之燃料携带量作为其所使用之光帆重量,其计算如下:

假设一平方公里面积的光帆重一吨,则一万吨的质量空间可装设一万平方公里的光帆,再假设太空船由距离太阳一个天文单位的地方出发,即其出发点位于地球绕日轨道上,则每平方公里的光帆获得推力约为10牛顿,面积10000km^2之光帆获得之总推力为10000*10=100000牛顿。船体加帆总质量为110000吨,根据f=m*a之牛顿运动公式计算,太空船之加速度a为:

100000牛顿=110000,000kg*a=a=0.00091/,即约为万分之一个g的加速度。又由于光压推力将随光帆与太阳之距离而下降,这会使计算必须采用积分的方式而使计算过程复杂化,为求简化,我们仅计算此光帆在前一光秒的距离内的加速度。一个天文单位约等于500光秒,一光秒距离仅为其五百分之一,故光压随距离增加下降的程度可以忽略。在这第一光秒的距离内,太空船可以达到的速度可如此计算:

v^2=v0^2+2*a*s

由于初速v0为零,因此我们只考虑加速度a与距离s此二变量

v^2=2*0.00091--式(a)

v^2=546000/求出加速时间t。

739

t=812088,将这个数字除以86400可以换算成天数,约等于9.4天。

根据以上的计算,标准太空船可以使用一万平方公里的光帆,在九天半的时间内加速到739m/s的速度,并在这段时间内前进了一光秒的距离(地球到月球的距离约为1.3光秒)。而这个速度大约略为低于于采用nerva计画中测试的的固态核心核分裂动力推进系统的标准太空船的最终速度。

当然只要太阳没有熄灭,光帆船可以继续加速,但由于远离太阳时光压会下降,因而最终有一速度极限,这个极限主要视光帆的性能与其质量占太空船的比例而定,光帆的性能越高指其越薄,能以更低的重量提供相同的推力。而质量比例越大则代表其加速度越高,极限加速度则由光帆性能而定。加速度极限便是100光帆零酬载的加速度,此例中极限加速度为千分之一个g。光帆质量比例越大则太空船加速度会越趋近这个值,但光帆占越大的比例也代表太空船酬载越小,超过一定程度时增加的速度的利益将会被减少酬载的损失抵销,因此质量比例有一最佳值,主要改善目标还是会放在光帆性能上。另外一个加速的方法是从更靠近太阳的地方出发,此时可以获得更高的初期推力因而能有更高的最终速度。

光帆的更进一步运用是用人工主动照射来获得推力。人工照射可分为以采用聚光照射或是主动发射能量光束两种。聚光照射即为于近太阳轨道建立反光板阵列群将太阳能聚焦投射到远处的光帆上,如此可使光帆在相同的距离下获得比平常更高的能量输入,或者在更远的距离减低太阳光散射光压降低的损失而能够达成更长的能量输入距离,两者都能增加光帆的最终速度。这种方法会稍微增加一些成本,主要是聚光站的建造与维护成本,光帆包含聚光站的能量来源同样也是免费的。其所增加的速度可以用最简单的增加推力与加速时间来推

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