未来航天器

未来航天器

一．太阳帆飞船

太阳帆飞船是利用太阳光为主要推进能源的航天器。我们知道阳光是由没有静态质量但有动能的光子构成的，当阳光照在太阳帆上时，光子会像许许多多乒乓球撞在墙壁上一样被弹回去，“墙壁”（太阳帆）会受到一个向前的反作用力，单个光子的单位推力很小，距太阳一个天文单位时，一平方米表面光滑物体所受的力仅为0.000009N（距太阳越远，这个值还会减少），但只要太阳帆足够大，太阳帆飞船便会像航船一样快速运动起来，太阳帆飞船的构思就来源于此。

人类很早就学会了制造帆，利用自然界的风这种免费而无限的动力来弥补划桨力量的不足。对于正在探索宇宙的人类来说，现代飞船有限的化学燃料能提供的动力同样不是很有效。太空中虽然有太阳风（从太阳外层大气不断发射出的稳定的离子流）这种可以同地球上的风相比拟的动力，但令科学家们感兴趣的是推动力比太阳风大1000多倍的太阳光。我们之所以在炎炎的夏日下也感觉不到任何阳光的压力，是因为它实在微小，一平方公里面积上的阳光压力总共才9牛顿。但太空中运行的航天器处于失重状态，又无空气阻力，所以轻微的推力(太阳光的压力)就可以让它加速，“宇宙一号”靠的就是它的光帆——非常轻而薄的聚酯薄膜，它们坚硬异常，表面上涂满了反射物质，使得它的反光性极佳，当太阳光照射到帆板上后，帆板将反射出光子，而光子也会对光帆产生反作用力，推动飞船前行。因此，光帆的直径越大，获得的推力也越大，速度也将越快，改变帆板与太阳的倾角可以对速度进行调整。

而且，阳光的好处是不会枯竭，同火箭和航天飞机迅速消耗完的燃料相比，太阳光是无限的动力之源，只要有阳光存在的地方，它会始终推动飞船前进，光帆将以每秒约1毫米的速度加速移动。如果把它当作真正的宇宙飞行器使用，那么它在展开光帆1天后，按理论计算，它的时速将增加到160公里，100天后飞船的时速将达到16000公里，如果它能持续飞行3年，速度会被提升到每小时16万公里，这是人类任何飞行器都没有达到过的速度，相当于人类的宇宙探测先驱“旅行者”号探测器飞行速度的3倍。如果用它来探测冥王星的话，可以在不到5年的时间里达到，而最快的传统飞船至少需要9年,美国宇航局使用普通飞船探测冥王星的“地平线计划”预期需要的时间却是十多年。

二．冲压喷气宇宙飞船

日本科学家设想了1g加速的冲压喷气宇宙飞船。这个设想的巧妙和可贵之处在于返朴归真。1g加速的返朴归真，是它能使人感到始终像是生活在地球上。而冲压喷气则回复到航空时代，冲压喷气飞机就是用高速冲压，吸取空气，让汽油燃烧，产生高温高压燃气，向后高速喷出，产生反作用力，推动飞机前进。

1g加速冲压喷气宇宙飞船的最大返朴归真，是利用宇宙中天然的能源。在广阔的宇宙空间，虽然是高度真空，但仍然散布着氢分子和氢原子，在星际分子云中每立方厘米达1万个左右。科学家们设想，在宇宙飞船的前端，安装一个巨大的漏斗形氢采集器，让它在飞船前进的过程中，将散布在宇宙空间中的氢收

集起来，作为飞船的加速能源。

氢的利用办法，一是让它进行核聚变反应，用它产生的高温加热工质，然后高速喷出，产生推力，使宇宙飞船加速。这就是核火箭发动机。二是将收集来的氢，与反氢相遇湮灭。氢与反氢在双双湮灭成光子的同时，放出大量热能，如果用这种热量加热工质，高速喷出，用反作力使飞船加速，那就是反物质火箭发动机。如果让光子在抛物面反射镜的焦点上产生，经反射镜反射后一致向后发射，也就是向后喷射光子，

那就是光子火箭发动机。

1g加速冲压喷气宇宙飞船还有一个最大的优点，那就是随着飞船速度的不断提高，收集的氢不断增多，这正好满足了因飞船质量不断加大，加速更困难，需要更多能源的需要。

三．空天飞机

空天飞机是既能航空又能航天的新型飞行器。它像普通飞机一样起飞，以高超音速在大气层内飞行，加速进入地球轨道后，成为航天飞行器，返回大气层后，像飞机一样在机场着陆。

为什么要研制空天飞机？

现代航天运载工具的“胃口”极大，像“土星”5号火箭发射时每秒钟要消耗15吨液氧和煤油，这些推进剂必须自行携带。因此，它们都不能用单级推进器送上太空，至少要有二级。

将来人们去太空旅行就像今天乘飞机一样简单，当然不能再用多级航天运载工具。科学家为此设计了一种空天飞机，它的外形很像大型客机，可是安装着3种截然不同的发动机。

空天飞机是在跑道上水平起飞，由普通飞机用的涡轮喷气发动机驱动，但是以液氢为燃料。当加速到3倍音速以上时改由冲压式发动机推进。这种发动机结构简单，可是必须在高超音速下工作。空天飞机高速

前进时，进气道大量吞吸空气，并从中分离出氧气，源源不断地与液氢一起流进燃烧室。由于从大气层中取氧，空天飞机可以少带许多液氧上天，减轻了起飞重量。当空天飞机飞到大气层边缘时，无法再从外界获得氧气，冲压发动机又让位给火箭发动机，用自身携带的液氧和液氢作推进剂，完成最后一段旅程。

空天飞机的起飞重量仅为航天飞机的1／10，地勤人员也从1.5万人减少到100人左右。它还可以作为一种高速洲际交通工具。

优点

空天飞机能自由往返于天地之间，凡是航天飞机能干的事，它几乎都能胜任。它可以把大的卫星送入地球轨道，一次投放多颗卫星更是它的拿手活儿；它能对在轨道上运行的卫星进行维修或回收，当然也可以对敌国的卫星实施破坏，甚至收为己有；它能向空间站运送或接回宇航员和各种物资；更重要的是它还能执行各种诸如拦截、侦察和轰炸等军事任务，成为颇具威力的空天兵器。空天飞机飞行速度很快，便于实现全球范围内的快速客运，地球上任何两个城市间的飞行时间都用不了2个小时。美国设计的一种空天飞机，乘客305人，可在32公里高度和1.2万公里航程内巡航，其巡航速度高达5马赫数。尽管航天飞机比起一次使用的运载火箭前进了一大步，但仍有诸如故障频繁，费用昂贵等许多不足。而空天飞机与航天飞机不同，它的地面设施简单，维护使用方便，操作费用低，在普通的大型机场上就能水平起飞和降落，具有一般航线班机的飞行频率。这种飞机的外型与大型客机相似，更多地具有飞机的优点。它以液氢为燃料，在大气层飞行时，充分利用大气中的氧气。加之它可以上百次的重复使用，真正实现了高效能和低费用的优点。据估算，用它发射近地卫星费用只有航天飞机的1／5，而发射地球同步卫星费用则可减少一半。这使空天飞机在即将到来的空间商务竞争中立于不败之地。