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卷一太空航行導論 第一節 太空航行器推進技術

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    任何離開地表進入太空,以及在太空航行的人造飛行體,其最根本的就是它的推進系統。沒有它統其它的一切都不用提了,因此推進系統就是太空船的心臟。不同的太空船推進系統將會直接影響太空航行的型態。而所有推進系統的原理都是植基于物理學上動量守恒定律,簡單來說就是出于以下幾個原因:

    一、所有推進系統都是使用根據牛頓第三運動定律的反作用力效果來使航行器前進。在地球上,主要是以外界的物質來作為獲得反作用力的對象。比如陸地上用腳,或用輪子的摩擦力來產生反作用力,水面船艦用種種方法撥動海水以來獲得反作用力使船艦前進,飛機則是以螺旋槳或噴射引擎等撥動空氣來獲得反作用力。就太空船而言則是由噴射氣體或是由外界提供動能來獲得反作用力而能前進。

    二、在太空環境中的阻力為零。根據牛頓第一運動定律,任何速度不為零的物體必基于慣性而等速前進。因此在理論上任何太空航行器的航程均為無限大,這點由歷年來發射的外太陽系行星探測船可以得知。航海家號以及先鋒號都已經離開太陽系了,這些無人探測船都會以數十億年的時間來向距離挑戰。而載人的太空航行器受限于攜帶的空氣,水與食物數量以及人類的壽命長度而導致巡航時間受到限制,因而會出現存在某個行動半徑限制的續航力有限的情形。而在這種情況下,能在相同的時間內增大行動半徑的唯一選擇就只有增加巡航速度這個方法。

    三、同樣是由于太空中沒有阻力這個原因,當我們想要減慢或停止太空船的運動的時候,必須要消耗攜帶的燃料來抵銷原本的前進速度。這是導致太空航行器與地球圈內的航行器的運動形式差異的最重要的原因。地球上的航行器由于具有大氣與水的阻力因素,因而只要把推進系統關閉,航行器速度自然會降為零。因此在大氣圈內,燃料的消耗主要是用來對抗阻力以維持速度,同時其阻力亦<!--中间广告位置-->限制了可以達到的速度上限。但在太空中沒有阻力,或者嚴格來說,阻力趨近于零。因此關閉推進系統不會減低航行器速度,想要停止唯有消耗燃料作反向噴射,這造成了較大氣圈內行行更大的燃料消耗量。另外必須注意的是這種情形也適用于太空船的姿態修正與小規模的軌道修正時的小規模運動中。

    雖然原理相同,但是應用的方法則有一些差別。想以反作用力前進基本上有三個方法,推進系統也因此三種方法的差別因而可以分成三種形式。第一種推進形式是將自己的一部份質量往后拋擲,如此自然可以使剩下來的部分獲得反作用力而前進。這種形式一般被稱為火箭式推進系統,最有名的例子就是登月用的巨大火箭農神五號。

    第二種推進形式則是撥動加速外界的流質藉此獲得反作用力,簡單的例子就是各式飛機與船艦,這些都是撥動空氣與海水等流質前進。基本上這類推進系統有很多次形式,但能在其夠使用于太空中的只有一種,就是沖壓推進系統。

    第三種推進形式則是純粹以外界動力來推動,本身既不攜帶可以拋擲的質量,也不特別去撥動外界流質。而這種方法是最早被人類應用的系統,簡單的例子就是帆船。

    一般而言,評論各種推進系統優劣的主要標準是其能量利用效率,推進系統形式的不同將會對能量運用效率產生重大影響。另外即使是相同形式的推進系統,也會由于其所運用技術細節的不同而使能量利用效率出現巨大的差異,比如說使用核能或是化學能兩者能量運用效率就有相當大的差別。最后的一種評估方法,則是各種進系統使用的燃料的能量價格。即使是能量利用效率較差,但如果價格較低甚至是免費的時候,無疑的會使其在經濟上具有大的競爭能力。以下將簡單的就三種基本形式的推進系統,及其使用技術不同而衍生的各式子系統的性能作一簡單的介紹與評估。

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