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行星际航行本文重定向自 行星際航行

(重定向自行星際旅行)

行星际航行行星际旅行指在行星系内的行星之间旅行[1]。实务上,此类的太空航行局限于太阳系内的行星之间。载人飞行的行星际航行必须维持生命保障系统,成本非常高昂;而重量较轻的太空探测器则是太阳系内行星际航行的主力。

推进方式

重力助推法

重力助推的简化模型:飞行器获得的加速度为行星速度的两倍。

太阳系中,由于飞往内行星的飞行器的轨道方向是朝向太阳的,所以其可以获得加速度;而飞往外行星的飞行器由于是背向太阳飞行的,故其速度会逐渐降低。

虽然内行星的轨道运行速度要比地球的快得多,但是飞往内行星的飞行器由于受到太阳引力作用而获得加速,其最终速度仍远高于目标行星的轨道运行速度。如果飞行器只是计划飞掠该内行星,就没有必要为飞行器降速。但是如果飞行器需要进入环该内行星的轨道,那么就必须通过某种机制为飞行器降速。

同样的道理,虽然外行星的轨道运行速度要低于地球,但是前往外行星的飞行器在受到太阳引力作用而逐渐减速之后,其最终速度将仍低于外行星的轨道运行速度。所以也必须通过某种机制为飞行器加速。同时,为飞行器加速还能够减少飞行所耗时间。

使用火箭助推是为飞行器加减速的重要方法之一。但是火箭助推需要燃料,燃料具有重量,而即使是增加很少量的负载也必须考虑使用更大的火箭引擎将飞行器发射出地球。因为火箭引擎的抬升效果不仅要考虑所增加负载的重量,也必须考虑助推这部分增加的负载质量所需的燃料的重量。故而火箭的抬升功率必须随着负载重量的增加而呈指数增加。

而使用重力助推法,则飞行器无需携带额外的燃料就可实现加减速。此外,条件适宜的情况下,大气制动也可用来实现飞行器的减速。如果可能,两种方法可以结合起来使用,以最大程度的节省燃料。

例如,在信使号计划中,科学家们即试用了重力助推法为这艘前往水星的飞行器进行减速,不过由于水星基本上不存在大气,所以无法使用大气制动来为飞行器减速。

霍曼转移轨道

霍曼转移轨道为图中编号2的半椭圆轨道

霍曼转移轨道是一种变换太空船轨道的方法,途中只需两次引擎推进,相对地节省燃料。

飞往火星金星的飞行器一般使用霍曼转移轨道法,该轨道呈椭圆形,其开始一端与地球相切,末尾一端与目标行星相切。该方法所消耗的燃料得到了尽可能的缩减,但是速度较慢——使用该方法的飞行器从地球达到火星需要1年多的时间。

大气制动

太空船使用大气制动

大气制动是一种太空船使用目标星球的大气层来减速。阿波罗计划返回地球的太空船没有进入地球轨道,以弧形的垂直下降通过地球大气层来降低太空船速度,直到降落伞系统可以顺利展开。大气制动不需要的浓厚大气,大多数火星登陆器都使用该技术。

大气制动的动能转换成热量,因此太空船需要防热结构,以防止太空船燃烧。

核热火箭

核热火箭和太阳热能火箭通常使用氢气,并加热到很高的温度,然后通过火箭喷管而产生推力。

美国原子能委员会NASA曾发展NERVA计划,论证了核热力火箭可以成为太空探索的一项可现实可靠的工具。在1968年底,SNPO测试完成最新型号的NERVA引擎——NRX/XE后,认为NERVA可以用于载人火星任务。尽管NERVA引擎在测试后已经被认为可以胜任飞行任务,而且引擎也正准备整合入宇航器中,但在最终飞往火星的梦想实现前,被尼克松政府取消。

NERVA曾被AEC,SNPO和NASA寄予厚望,而实际上,整个项目的成就也达到甚至超过它原先的目标。NERVA最主要的任务是“为太空任务提供核动力推进系统的科技基础”。[2]

太阳帆

太阳帆构想图

太阳帆使用巨大的薄膜镜片,以太阳辐射压做为太空船推进力辐射压不仅非常小,而且与太阳距离的平方成反比,但不同于火箭的是,太阳帆不需要燃料。推进力虽然很小,但是只要太阳继续照耀着,太阳帆就能继续运作。

太阳能集热器、温度控制面板和阳光下的树荫都可以视为特殊的太阳帆,太阳帆可以帮助在轨道上的太空船调整飞行姿态或是对轨道做少量的修正而无须耗费燃料。

电力推进

电力推进系统使用外部电源,例如核反应堆或太阳能电池来发电,加速化学惰性推进剂速度,并超越化学火箭。电力推进驱动器会产生微弱的推力,并因此不适合快速机动探测或从行星的表面发射。但是电力推进可以保持数天或数周的连续发射。

太空电梯

空间电梯的概念最初出现在1895年,由康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出。随着近年纳米技术取得的突破性进展,建造一部现实的空间电梯已经成为可能,预计其建造成本约100亿美元,远少于国际空间站航天飞机计划的投资。

离子推进

离子发动机原理是先将气体电离,然后用电场力将带电的离子加速后喷出,以其反作用力推动火箭。这是目前已实用化的火箭技术中,最为经济的一种,因为只要调整电场强度,就可以调整推力,由于比冲(specific impulse)远大于现有的其它推进技术,因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的最终速度,而既然太空船本身不需要携带太多燃料,总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的运载火箭,节省下来的燃料更是可观。

离子发动机缺点是推力很小,目前的离子推进系统只能吹得动一张,无法使太空船脱离地表,而且即使在太空中也需要很长的时间进行加速。离子推力器目前只能应用于真空的环境中。在经过很长时间的持续推进后,将会获得比化学推进快很多的速度,这使得离子推力器被用在远距离的航行中。

另见

参考文献

  1. ^ Interplanetary Flight: an introduction to astronautics. London: Temple Press, 亚瑟·查理斯·克拉克, 1950
  2. ^ Robbins, W.H. and Finger, H.B., "An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program", NASA Contractor Report 187154/AIAA-91-3451, NASA Lewis Research Center, NASA, July 1991.



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