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太空航行器推进技术

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发表时间:2016-08-25 19:09


任何离开地表进入太空,以及在太空航行的人造飞行体,其最根本的就是它的推进系统。没有它统其它的一切都不用提了,因此推进系统就是太空船的心脏。不同的太空船推进系统将会直接影响太空航行的型态。而所有推进系统的原理都是植基于物理学上动量守恒定律,简单来说就是出于以下几个原因:  


一、所有推进系统都是使用根据牛顿第三运动定律的反作用力效果来使航行器前进。在地球上,主要是以外界的物质来作为获得反作用力的对象。比如陆地上用脚,或用轮子的摩擦力来产生反作用力,水面船舰用种种方法拨动海水以来获得反作用力使船舰前进,飞机则是以螺旋桨或喷射引擎等拨动空气来获得反作用力。就太空船而言则是由喷射气体或是由外界提供动能来获得反作用力而能前进。  


二、在太空环境中的阻力为零。根据牛顿第一运动定律,任何速度不为零的物体必基于惯性而等速前进。因此在理论上任何太空航行器的航程均为无限大,这点由 历年来发射的外太阳系行星探测船可以得知。航海家号以及先锋号都已经离开太阳系了,这些无人探测船都会以数十亿年的时间来向距离挑战。而载人的太空航行器受限于携带的空气,水与食物数量以及人类的寿命长度而导致巡航时间受到限制,因而会出现存在某个行动半径限制的续航力有限的情形。而在这种情况下,能在相同的时间内增大行动半径的唯一选择就只有增加巡航速度这个方法。  


三、同样是由于太空中没有阻力这个原因,当我们想要减慢或停止太空船的运动的时候,必须要消耗携带的燃料来抵销原本的前进速度。这是导致太空航行器与地球圈内的航行器的运动形式差异的最重要的原因。地球上的航行器由于具有大气与水的阻力因素,因而只要把推进系统关闭,航行器速度自然会降为零。因此在大气圈内,燃料的消耗主要是用来对抗阻力以维持速度,同时其阻力亦限制了可以达到的速度上限。但在太空中没有阻力,或者严格来说,阻力趋近于零。因此关闭推进系统不会减低航行器速度,想要停止唯有消耗燃料作反向喷射,这造成了较大气圈内行行更大的燃料消耗量。另外必须注意的是这种情形也适用于太空船的姿态修正与小规模的轨道修正时的小规模运动中。  


虽然原理相同,但是应用的方法则有一些差别。想以反作用力前进基本上有三个方法,推进系统也因此三种方法的差别因而可以分成三种形式。


第一种推进形式是将自己的一部份质量往后抛掷,如此自然可以使剩下来的部分获得反作用力而前进。这种形式一般被称为火箭式推进系统,最有名的例子就是登月用的巨大火箭农神五号。  


第二种推进形式则是拨动加速外界的流质藉此获得反作用力,简单的例子就是各式飞机与船舰,这些都是拨动空气与海水等流质前进。基本上这类推进系统有很多次形式,但能在其够使用于太空中的只有一种,就是冲压推进系统。  


第三种推进形式则是纯粹以外界动力来推动,本身既不携带可以抛掷的质量,也不特别去拨动外界流质。而这种方法是最早被人类应用的系统,简单的例子就是帆船。  


一般而言,评论各种推进系统优劣的主要标准是其能量利用效率,推进系统形式的不同将会对能量运用效率产生重大影响。另外即使是相同形式的推进系统,也会由于其所运用技术细节的不同而使能量利用效率出现巨大的差异,比如说使用核能或是化学能两者能量运用效率就有相当大的差别。最后的一种评估方法,则是各种进系统使用的燃料的能量价格。即使是能量利用效率较差,但如果价格较低甚至是免费的时候,无疑的会使其在经济上具有大的竞争能力。以下将简单的就三种基本形式的推进系统,及其使用技术不同而衍生的各式子系统的性能作一简单的介绍与评估。


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