无推进剂航天器技术如何助力人类探索星辰

天文online

08-06 22:28 来自北京

🚀无推进剂航天器技术：解锁星际探索的终极钥匙

一枚联盟FG火箭从拜科努尔航天发射场的加加林启动台（15号发射工位）发射。图片来源：比尔英戈尔斯

未来的航天器或许可以通过从行星、阳光和太阳风中获取动量而非使用机载燃料来飞得更远。

每一种传统火箭都面临着同样的问题：它必须携带用于推进自身的物质。自从康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出火箭方程以来，航天器一直通过燃烧燃料并向后喷射来依据牛顿第三定律向前运动。

但是添加推进剂也会增加重量，这就需要更多燃料来加速更重的飞行器。这种复合负担对任务造成了严重限制，使得星际旅行显得异常困难。如果航天器可以不携带推进剂就能移动呢？

一篇全面的综述通过研究太空飞行的无推进剂推进技术来探索这种可能性。这些方法不依赖化学燃烧，而是从太空中已存在的力中获取能量或动量，有可能支持传统火箭无法完成的任务。

旅行者号探测器成功利用引力助推探测外行星。图片来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室

①重力助推以燃料换取时间

引力弹弓是最成熟的无推进剂方法，几十年来一直用于引导航天器。工程师会在精心选择的时间和角度让航天器掠过行星，使其获取行星轨道动量的微小份额，无需燃烧燃料即可加速。旅行者号曾利用这一策略抵达所有四颗外行星。它的主要限制在于时机：所需行星必须正确排列，因此发射机会并不常见，且可行路线也受到限制。

②太阳帆利用阳光和太阳风

太阳帆通过利用太阳光的辐射压力提供更持续、更便捷的推进力。这些巨大的薄膜通过反射光子产生推力，无需燃料就能缓慢但持续地加速。日本的IKAROS探测器曾成功演示了这项技术，仅依靠阳光就抵达了金星。不过，太阳帆需要使用巨大、轻薄如翼的材料，这些材料必须能在恶劣的太空环境中存活多年，而且其性能会随着与太阳距离的增加而大幅下降。

伊卡洛斯，展示了太阳帆的日本卫星。图片来源：日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）

③磁帆：驾驭太阳风的隐形之帆

磁帆采用不同的方法，利用超导线圈产生强磁场来偏转太阳风——这是一种从太阳持续流出的带电粒子流。通过推动这种等离子体，磁帆无需消耗推进剂就能产生推力。它们可能比太阳帆提供更好的加速度，而且不会像反射膜那样随时间退化。

问题是什么呢？产生所需磁场需要巨大的超导线圈，半径可能达50公里，且需在低温下维持。目前，建造和部署这类结构的技术尚不存在。

电帆是一种较新的变体，它使用带电系绳而非磁场来排斥太阳风质子。这些系统有望使航天器比磁帆更轻，不过它们也依赖于部署极长的轻质导线，并且需要大量电力来维持所需电荷。

④每种方法都有其取舍

每种无推进剂方法都有独特优势，同时面临不同的工程挑战。引力助推目前可行，但需要精确的行星排列。太阳帆能提供稳定推力，但需要大型且脆弱的结构。磁帆和电帆可避免材料降解，但所需技术仍在研发中。

该综述明确指出，没有单一方法能解决所有挑战，但这些方法结合起来可能从根本上改变我们探索太阳系及更遥远宇宙的方式。对于真正雄心勃勃的星际空间任务而言，不携带推进剂可能不仅是有利的，而且可能是绝对必要的。

10.1016《航天学报》。最新

改编自最初发表于《今日宇宙》的一篇文章。