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卷一太空航行導論 第三節 第一種推進形式之各式火箭推進系統

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    1.化學火箭推進系統

    這是目前普遍使用的推進系統,算是十分原始的推進系統。其以化學物質間的化學反應來提供主要動力。以目前的技術,化學火箭的比沖在200秒到480秒之間,噴氣速度vc大約在3~5km/s左右。化學推進系統除了化學能的能量轉換效率之外,還有工程學上的熱度與燃燒室壓力限制等問題存在。即使未來的化學推進劑的改良達到巔峰,其vc也不太可能超過10km/s的水平,因此其前景有限。若裝備vc約為5km/s之化學火箭推進系統,則標準太空船所獲得的Δv為477m/s。

    化學火箭的優點是和其它火箭相比,引擎重量非常輕(較重的部份是燃料的重量),并有極高的推力,可推送大量載荷抗重力上升。缺點就是這個477m/s的Δv與其它形式的火箭比起來實在太小了。化學火箭理想噴氣值約為5000m/s左右,目前的化學火箭工藝技術至少在噴氣速度方面已經達到極限,進一步的發展主要是在系統減重,減少價格與尋找更有效率的新燃料方面。不過如前所述,所能增加的效果也是極為有限的。

    2.核分裂式推進系統之一,核分裂熱推進引擎

    這是以核分裂作動力源的推進系統。其燃料主要是鈾235或是鈽239。就能量利用方式的不同可以分幾個支系。以火箭系統的支系而言,是以核分裂燃料產生熱,加熱燃燒室中的工作流質(即推進劑)使其噴出。通常采用分子量最低的氫作為獲得反作用力的工作流質以求得最高的噴氣速度。美國在六零年代曾經進行過一項稱之為「核子引擎火箭推進系統應用」的研究計畫,(nuclearengineforrocketvehicleapplications,nerva)測試過這類核子火箭的可能性。

    nerva沒有實際升空測試,而是把引擎放在地上,噴氣口朝天噴射的大規模引擎測試計畫。這個計畫中建造了十數部引擎,密集測試了數十次。其中測試機組中的最高出力約為1130mw,比沖約為850秒,推力從一萬磅到二十五萬磅的都有。最高記錄曾以全功率連續運轉28分鐘。而且這些只是以60年代的技術作出來的測試用引擎,便有90年代最先進化學火箭兩倍以上的比沖量。以這個測試用引擎的能力,約可使標準太空船達到794m/sec的Δv。而此種引擎的理論理論比沖值約在750秒到1200秒之間。

    nerva研究計畫后來在80年代美國政府刪減火星登陸計畫預算時中止,所有設備皆被棄置,但寶貴的測試資料與經驗都留下來了。如果需要的話,這種引擎是能在最短時間發展出來的優秀次代火箭引擎。和尚未成功的受控核融合火箭相比,這種核分裂火箭用的是已經成熟,相當實際的技術,只要投下經費,十年內便可建造出可靠的引擎裝到太空船上。

    另外一方面,即使nerva計畫結束,大量理論方面的基礎研究并未跟著停止。就核分裂熱推進系統而言,理論上具有另一種較為優秀的引擎存在,即氣態核心反應爐。這是相對于nerva計畫中使用的固態(石墨)核心反應爐而言,以鈾電漿與氫混和的氣態爐心反應爐。其比沖潛力在5000秒~10000秒之間。這類引擎的困難與受控核融合爐有點類似,皆為爐心高溫氣體的處理相當麻煩。不過由于其并非欲進行核融合,氣體溫度僅約攝氏數萬度,遠較融合爐的數千萬到上億度為低,因而難度低了許多。若取理論平均值7000秒比沖來計算,則使用這類系統的標準太空船之Δv可達到6538m/sec。但這類系統,包含固態爐心的nerva計畫都有個相似的缺點,即其排氣具有放射性,因此不能在地球上使用。在太空中則無妨,因放射性氣體會很快擴散開來。核分裂系統的理想噴氣值約為11200km/s。

    3.核分裂式推進系統之二,核分裂電推進引擎

    這種系統簡單的來說,就是用核電廠發電,以電力來加速發射帶電粒子來獲得推力。當然這個核電廠的體積和重量必須縮小到能夠裝進太空船中才行。而小型核電廠已經算是相當成熟的技術了,例如目前最小的核子潛艦排水量才兩千噸左右,因此基本上此類系統問題并不大。而發射的帶電粒子則可從電子到各式離子與電漿等范圍,視需求而有不同。基本上為求得較高的推力與較快的加速度,工作流質以質量較重的金屬離子或電漿為主。若是要求效率的話則就以發射較輕的粒子如氫離子來得到較高的噴射速度。

    要注意的問題是需保持太空船的電中性,若是一直制造并發射正離子的話,太空船就會累積負電荷,因此得在離子噴射口中一并噴射電子。若是用電漿推進系統的話則無此問題,電漿本身就是電中性的氣體。這類電推進系統的比沖非常大,通常約在1000秒~10000秒之間,這是以光電池等一般動力輸出得到的比沖值。但其潛力不止于此,若是能以核分裂動力提供源源不絕的能源來加速很輕帶電粒子,則具有把比沖提高到100000秒的潛力。以具有100000秒比沖的引擎來計算,標準太空船約可達到93404m/sec的Δv。

    這類系統的缺點是推力非常低,其為了效率必須使粒子加到極高的速度噴射,但粒子的質量非常小,單位時間內能噴射的粒子質量有限因此獲得的推力很低。故采用此種系統的太空船加速度會非常低,一般大約在10的負5次方個g左右。因此必須持續數周到數月的加速才能達到設計上的最高速度,同時也不可能推動太空船從星球表面起飛。

    4.核融合式推進系統之一,受控核融合推進系統

    這是把前面的核分裂熱推力引擎的能量來源改成核融合,基本原理是一樣的。基本上較受到注意的反應方程序有以下這幾個:

    d+d->t+p+3.25mev

    d+d->he3+n+4.0mev

    d+t->he4+n+17.6mev

    d+he3->he4+p+18.3mev

    四個方程序中最有效率的是第四個氘與氦三融合的反應,且此一反應不產生中子,幾乎毫無污染,安全性非常高。但地球上不產氦三,只在核子爐中有少量生產,因此價格較高。月球表面氦三倒是很多,但必須建立開采能量。而第一個兩個氘之間的融合則原料比較便宜,氘可以從海水中提煉出來,不過這個反應效率較低。第二第三個反應則會產生中子,會有較大的中子射線屏蔽的的問題。

    使用受控核融合引擎,則隨著不同的需求會有不同的比沖值,理論比沖值潛力在1萬秒到200萬秒之間。比沖值的差異在于混入氣體的調整。簡單的來說,如果在融合爐開個出口,讓氘與氦三反應產生的電漿慢慢泄漏出來,用融合反應產生的能量將這些電漿噴射出去,(也有直接用反應爐開洞噴射的方法),就可以得到秒速兩萬公里的極高的噴氣速度,因此而能有約200萬秒的比沖值。但是基于與電推動系統相同的道理,電漿的單位流量質量非常小,所以雖然噴氣速度高,推力卻不高。但如果在從融合爐排出來的微量電漿里加入氫混和之后再一并排出去,則由于混入氫之后噴射氣體的質量提高了,使噴氣速度vc下降,比沖值也跟著下降,但推力卻可以大幅增加。將氦三-氘反應電漿與氫以1:99的比例混和,即噴射排氣中含有99%的氫的時候,噴氣速度會降成秒速一百公里,比沖值約為10000左右。

    故此種受控核融合推進系統可以用調整氫氣導入量來改變推力,在一些需要大推力如超越重力梯度的星球起飛或是緊急加速時非常方便。但這就會造成短時間內效率的下降,會稍微降低太空船的最終速度。附帶一提的是,第四個公式的氘和氦三反應產生<!--中间广告位置-->的是氦四,氦四是一種惰性氣體,不含輻射線,所以第四個公式反應之引擎加上氫氣噴射的標準太空船可以直接從地面起飛,不會有輻射污染的問題。唯一的問題是這種引擎的出力太大,起降場地面積要很大,且清場得清的干凈一點,任何太靠近的人都會倒足大霉。以兩百萬秒的比沖值,秒速兩萬公里的噴氣速度來算,則約可使標準太空船達到1906km/sec的Δv值。核融合基于其理論能量轉換效率,其理想噴氣值約為26800km/s。

    5.核融合式推進系統之二,核融合脈沖推進系統

    雖然受控核融合技術尚未完成,但目前也有可以立刻使用的核融合推進方法,就是引爆氫彈來推動太空船。這種方法被稱為核融合脈沖推進或是爆震推進。基本上的設計是這個樣子的,以數噸到數百噸*威力等級的小威力氫彈做為燃料,作成微型氫彈燃料球,每個燃料球直徑大約只有一兩公分。然后在內藏或外部的燃燒室中央以高能聚焦電子束或是雷射束來點燃這些微氫彈來誘發爆縮式的核融合反應。這些氫彈爆炸后將會產生高溫高壓電漿,然后與混和的氫從燃燒室噴射出去獲得推力。

    這種系統構造驚人的簡單,燃燒室強度不需要很大,因為每個氫彈球的威力是可以事先調整的,只有數噸*甚至是只有公斤級*等級威力的微氫彈也是可以作得出來的。以目前的技術,完全可以做出可以承受此種等級爆炸威力的燃燒室,當然燃燒室外層還是要裝上超導線圈,弄出磁場來減少電漿對燃燒室壁的侵蝕,同時巧妙灌入的氫氣也可以有效保護燃燒室壁。

    即使是小威力的微氫彈,如果以每秒數十枚到數百枚的流量射入燃燒室內引爆便可獲得相當高的總推力,且此推力可由調整氫彈流量而調整。這可以用簡單的機車二行程引擎來想象,在二行程引擎中也是用混和油氣的爆炸來提供動力,同時用調整油氣流量來得到不同的加速度。駕駛員只要轉動油門便可以加速。

    這種系統除了氫彈燃料球流量外,與受控核融合引擎相同的也可以經由導入燃燒室混和的氫氣數量來改變推力。這類推進系統已經經由成功的試飛實驗證實,不過用的燃料不是氫彈而是zha藥。剛開始實驗時那些科學家曾不小心把測試火箭炸成碎片,不過后來經過一些調整,成功的把小火箭發射到數十公里的高空。由于是用連續的爆炸脈沖推動火箭,所以稱這類推進系統為脈沖式推進或爆震式推進。

    這類系統的比沖潛力約在一萬秒到一百萬秒之間。還有系統構造極為簡單,造價非常低的優點。缺點是比起受控融合爐的液態燃料儲存方式,固態的燃料球在貯存與運輸上都會比較不方便,占的空間會相當大。使用這種推進系統的標準太空船之Δv是受控融合系統的一半,約953km/s左右

    另外必須一提的是,脈沖推進法也可以用在化學燃料與核分裂燃料上。對于化學燃料使用這種方法的效果尚在研究,但是就核分裂燃料而言,使用此法有一些先天缺陷存在。就核融合而言,當量是沒有限制的。大到太陽等級的核融合反應,小到只有幾毫克電漿的融合反應都沒問題。所以可以把單次爆炸威力減低到燃燒室可以承受的地步,再用多次爆炸來維持推力。但對于核分裂而言則存在著一個臨界質量,只有在超過臨界質量的情況下才會產生連鎖式核分裂反應。因此至少要有一定質量的分裂物質才能產生核分裂,換句話說,爆炸威力是有一個下限的。這個下限隨著分裂原料的不同,大約是數千噸到上萬噸*當量左右。而一般的燃燒室無法承受這么大的威力,因此必須使用開放式的外部爆震推進法,而這會造成能量的浪費。且即使是使用此種方法,想承受每次數千噸威力的爆炸,對于太空船的結構將是一個很大的考驗,更傷腦筋的是中子源等輻射屏蔽的問題了。因此在技術上,反而是核融合脈沖推進系統較為簡單易于被接受。

    6.正反物質的對消滅--光子火箭系統

    此種推進系統乃是火箭系統理論上的極致。以正反物質對消滅來獲得能量的光子火箭,可以極限速度光速來噴射光子或光波獲得推力。因此其理論噴氣速度達到上限,為每秒三十萬公里,比沖值上限約為三千萬秒。裝備這個系統的標準太空船可獲得約28600km/sec的Δv,遠高于前述任何推進系統。但同樣的,光子的等效質量非常低,因而推力會很低。想增加推力唯有靠老方法,于對消滅反應爐中導入氫氣,代價就是降低比沖值。

    不過與核融合反應爐不同的是在對消滅火箭中這是兩個不同的反應過程,需要用不同的系統。就核融合爐而言,進行反應后產生能量,并融合成氦四的電漿氣體仍是以電漿形式存在,其以熱能的方式提供能量,之后可以直接將這些融合后的電漿氣體以熱能噴射或以電推進的方式推動噴射,是否加入氫氣并不影響這個過程。但在正反物質對消滅中,燃料將完全消滅,剩下來的是以光子型態的能量,使用反射鏡將這些光子集中成一束單向發射來進行光子推進獲得推力,這就使得此類系統必須以光子這種極低等效質量的粒子為唯一的推進劑。若是想用導入氫氣增加推力的方法,則必須回到類似于融合爐之類的密封燃燒室設計,只不過在其中以正反物質殲滅來取代核融合反應,但這種設計將無法進行最高效率的光子推進。換句話說,高效率光子推進系統和可變推力系統是兩種不兼容的系統,必須獨立存在。

    也就是說若是太空船想以反物質燃料同時獲得高效率推進與大幅推力調整的能力,則必須同時裝備這兩種引擎。當然兩者可共享同樣的反物質燃料槽與液氫槽,但液氫槽容量將遠比反物質儲量大,其中將只有少部份用于對消滅反應,絕大部份則是供給推力調整引擎作為被噴射出去的推進劑。這實際上已經可以算是一種混合式推進系統了。光子火箭的缺點是推力太低(不考慮可變推力系統的話),反射高能光子(γ射線)的反射鏡制作極為困難,還有反物質燃料十分昂貴。

    就燃料而言反物質是可以人工制造的,而且不需要任何特殊原料。物質和反物質實際上便是凍結了的能量,因此可將能量轉換成反物質。目前在回旋加速器進行高能粒子碰撞中已可產生并收集反粒子,但由于所需能量太高因而產量極低。以目前的技術水平,反物質的生產成本為每毫克三千億美金,這當然是不可能被接受的價格。但由于反物質的能量轉換效率是理論上最高的一種,具有極高的應用價值,因而將來反物質的生產可會能成為一個大規模的產業。構想中的方法是,在水星以內的環日軌道上建造超大型的回旋加速器,并配置大量太陽能光電板與太陽熱電力的方式發電,以太陽的巨大的能量來生產反物質。整個系統的建造成本會很高,不過維護操作成本就會很低了,原料則完全不需要,只要太陽沒有停止發光就成了。

    7.太陽能火箭的最新發展,太陽能電推進系統

    這是與核能電推進系統完全相同的系統,只不過動力源改成太陽能。此類系統是目前人類的技術結晶,且已有現貨。已于98年10月24日發射第一艘使用此類系統的太空船,即deepspace1深太空一號。將來的行星探測太空船大部分都會裝上此類系統。它使用新型更輕更薄的高效能太陽能板,發電效率遠比舊式太陽能板高,故可以讓離子引擎在遠地行星如海王星,冥王星一帶有效運作。將來的大型太空船也可以裝上此類系統。這可以說是將來太空船的主要推進系統,因為可以直接由日光中取得能量,故效率在第一類推進系統中排名第一。自然在需要更高加速度與遠離太陽的地方需要與其它推進系統如核融合系統配合。核能電推進系統的推進器與太陽能電推進系統是完全相同的,所以可以使用同樣的推進器,同時裝設太陽能與核能兩種動力源,這也可以減低系統的重量。

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