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标题: [转帖] 太空航行器推进技术 [打印本页]

作者: fffxxx09 时间: 2012-2-19 17:20 标题: 太空航行器推进技术

第一节太空航行器推进技术
　　任何离开地表进入太空，以及在太空航行的人造飞行体，其最根本的就是它的推进系统。没有它统其它的一切都不用提了，因此推进系统就是太空船的心脏。不同的太空船推进系统将会直接影响太空航行的型态。而所有推进系统的原理都是植基于物理学上动量守恒定律，简单来说就是出于以下几个原因：

　　一、所有推进系统都是使用根据牛顿第三运动定律的反作用力效果来使航行器前进。在地球上，主要是以外界的物质来作为获得反作用力的对象。比如陆地上用脚，或用轮子的摩擦力来产生反作用力，水面船舰用种种方法拨动海水以来获得反作用力使船舰前进，飞机则是以螺旋桨或喷射引擎等拨动空气来获得反作用力。就太空船而言则是由喷射气体或是由外界提供动能来获得反作用力而能前进。

　　二、在太空环境中的阻力为零。根据牛顿第一运动定律，任何速度不为零的物体必基于惯性而等速前进。因此在理论上任何太空航行器的航程均为无限大，这点由历年来发射的外太阳系行星探测船可以得知。航海家号以及先锋号都已经离开太阳系了，这些无人探测船都会以数十亿年的时间来向距离挑战。而载人的太空航行器受限于携带的空气，水与食物数量以及人类的寿命长度而导致巡航时间受到限制，因而会出现存在某个行动半径限制的续航力有限的情形。而在这种情况下，能在相同的时间内增大行动半径的唯一选择就只有增加巡航速度这个方法。

　　三、同样是由于太空中没有阻力这个原因，当我们想要减慢或停止太空船的运动的时候，必须要消耗携带的燃料来抵销原本的前进速度。这是导致太空航行器与地球圈内的航行器的运动形式差异的最重要的原因。地球上的航行器由于具有大气与水的阻力因素，因而只要把推进系统关闭，航行器速度自然会降为零。因此在大气圈内，燃料的消耗主要是用来对抗阻力以维持速度，同时其阻力亦限制了可以达到的速度上限。但在太空中没有阻力，或者严格来说，阻力趋近于零。因此关闭推进系统不会减低航行器速度，想要停止唯有消耗燃料作反向喷射，这造成了较大气圈内行驶更大的燃料消耗量。另外必须注意的是这种情形也适用于太空船的姿态修正与小规模的轨道修正时的小规模运动中。

　　虽然原理相同，但是应用的方法则有一些差别。想以反作用力前进基本上有三个方法，推进系统也因此三种方法的差别因而可以分成三种形式。第一种推进形式是将自己的一部份质量往后抛掷，如此自然可以使剩下来的部分获得反作用力而前进。这种形式一般被称为火箭式推进系统，最有名的例子就是登月用的巨大火箭农神五号。

　　第二种推进形式则是拨动加速外界的流质藉此获得反作用力，简单的例子就是各式飞机与船舰，这些都是拨动空气与海水等流质前进。基本上这类推进系统有很多次形式，但能在其够使用于太空中的只有一种，就是冲压推进系统。

　　第三种推进形式则是纯粹以外界动力来推动，本身既不携带可以抛掷的质量，也不特别去拨动外界流质。而这种方法是最早被人类应用的系统，简单的例子就是帆船。
　　一般而言，评论各种推进系统优劣的主要标准是其能量利用效率，推进系统形式的不同将会对能量运用效率产生重大影响。另外即使是相同形式的推进系统，也会由于其所运用技术细节的不同而使能量利用效率出现巨大的差异，比如说使用核能或是化学能两者能量运用效率就有相当大的差别。最后的一种评估方法，则是各种进系统使用的燃料的能量价格。即使是能量利用效率较差，但如果价格较低甚至是免费的时候，无疑的会使其在经济上具有大的竞争能力。以下将简单的就三种基本形式的推进系统，及其使用技术不同而衍生的各式子系统的性能作一简单的介绍与评估。

第二节第一种推进形式之火箭推进系统
　　一般而言，火箭系统的燃料的能量利用效率为某种燃料所能产生的能量，称之为「比冲」或是「比冲量」英文缩写为Is或Isp。采用公制时，Isp的单位为牛顿（产生的推力）除以公斤每秒（质量流量）。另外又因为牛顿的定义为对一个1kg的物体施以1m/s^2的力。经过单位简化，Isp的单位可以用简单的‘s‘，即秒来表示。另外，也可以将比冲量乘以地表重力加速度常数（9.8m/s^2）将其换算成火箭的喷气速度。

　　举例来说，化学推进系统约有200秒到480秒的比冲量，或是1960m/s到4704m/s的喷气速度。比冲越大的火箭推进系统可以在同质量的燃料消耗下输出更大的能量，让喷射气体可以较高的速度喷出。因此能以相同的燃料消耗率来获得更高的反作用力（即推力）。如果负载已经确定，则飞行器的速度将完全取决于其推进系统的喷气速度以及其携带的燃料量而定；但若想要增加飞行速度，则最主要还是以增加喷气速度为主。这是因为根据动量守恒定律，可以推导出火箭推进系统的燃料携带量与速度的关系。其公式为：

　　ΔV=Vc×ln{(M+P)/M}
　　或(M+P)/M=e^(ΔV/Vc)
　　V=>火箭的速度变化量，初速为零的火箭之最终速度即为0+ΔV=ΔV
　　Vc=>喷气速度
　　ln=>自然对数
　　M=>火箭本体的质量
　　P=>燃料质量
　　(M+P)/M=>质量比
　　其中的(M+P)/M也就是火箭本体加上燃料的质量与火箭本体质量的比值，称为质量比。其意义可以看成为火箭的运输效率。也就是消耗的燃料与能运送的酬载的比值。
　　由于P项是在ln函数中，因此在当ΔV/Vc的值大于1，即最终速度大于喷气速度的时候，火箭系统的质量比对于任何速度增加将会变的十分敏感，此时任何微小的最终速度要求增加都会让质量比成指数增长。假设有一火箭为达到最终速度ΔV，在从静止加速速的条件下需要携带质量为P的燃料。如果此火箭之ΔV大于其Vc，若有减速停止的需求，也就是在加速到ΔV飞行一段时间之后，于到达目的地后欲将速度停止。其意义相当于单程时的速度变化量V加倍(加速减速等于两倍的速度变化，只不过施力的方向相反而已)。则加倍后其所需要的质量比将成指数性的增加，质量比将成为原先的2次方，而非P的两倍。这是因为用来让火箭减速停止的燃料所增加的额外质量同样需要在最初加速时增加额外燃料来运送的缘故。

　　另外，又因为火箭速度变化量ΔV和其喷气速度Vc成线性关系，因此若质量比不变，则只要把Vc加倍，速度变化量也会加倍，因此也就可以达成减速的要求了。由上面的关系很明显的可以看出增加喷气速度的效率远优于增加燃料携带量的效率，因此增加太空船速度的方式以增加喷气速度为主。喷气速度提高则代表太空船效率有飞跃性的进展。

　　但需要注意的是在讨论推进系统喷气速度之前，仍有一个重点必须加以考虑。也就是与一般的直觉上的看法完全不同的，喷气速度并非完全是越快越好。前面说过，推进系统的优劣评断主要在于其能量利用效率(亦即燃料的利用效率)。若不考虑其它因素而不断的增加喷气速度，则将会使燃料的利用效率降低，同时亦将导致飞行器所能达到的最大速度降低。当然有时候在极短时间内需要速度上的要求而不得不暂时牺牲效率，但这种牺牲是有一个界限的。

　　理论上每种燃料皆有一个最佳喷气速度值。这个最佳值乃是以该燃料的能量转换率来计算。举例来说，目前核裂变约有0.07%的能量转换率，亦即一公斤的核燃料经过分裂，其中会有0.7克的质量转换成能量释放出来。因此其最理想的燃料使用方式便是将其携带燃料质量之0.07%转换成能量，用以将其余的99.93%的质量喷射出去获得推力。如此可达到的喷气速度便是以核裂变为动力的火箭之理想喷气速度，具有最高的能量利用效率，过高过低都是浪费燃料。

　　如果以此核燃料为例，由于所能提取的能量由于能量转换率的限制被固定为0.07%，因此想超过这个理想喷气速度只能减少喷射出去的推进剂质量，其结果可以经由简单的动能公式k=1/2*mv^2看出来。比如说若欲将喷气速度加倍，由于总能量k不会改变，因而喷射出去的质量将只剩原来的四分之一，其余四分之三则必须以零速排出。而反作用力使太空船获得的速度的公式则是MV=mv(国中的物理公式，还记得吗？)。因此很明显的，排气速度虽然加倍，但由于质量成为四分之一，故相乘起来获得的速度剩原先的二分之一而已。

　　由以上的例子可以看出，高于理想排气速度就会浪费燃料质量，低于理想排气速度则会浪费能量。两者都会减低燃料运用效率。但须注意的是这是具有100%热转换效率的「理想火箭系统」，实际上由于工程上的限制，能量利用效率通常会低于此理想值。而推进系统工程师的工作便是使喷气值尽量近理想值了。附带一题，能够得到的最高喷气速度的是由能量转换效率100%的物质－反物质对湮灭效应的火箭系统，其喷气速度是光速。由于理论上没有任何东西可以超过光速。因此根据前述公式，理论上最佳的火箭系统即为使用正反物质对湮灭效应的光子火箭，其理论比冲极限为光速除以地表重力常数9.8m/s，约为三千万秒左右。

　　另外，重要性仅次于燃料能量运用效率的则是推力。燃料利用效率高的系统不一定代表推力也会高。举例来说，汽车的加速能力和每加仑汽油能跑的距离没有直接关系。燃料能量转换效率影响太空船可达的极速，推力则影响太空船的加速度，推力越大的太空船可以在越短的时间内达到其极速。

　　基本上在民用太空船上，由于经济因素考量，推力的重要性并不高，但在军事用途的太空船上，加速度会影响太空船的反应速度。因此有相当的重要性。推力的另外一个重要性则是轨道投送时的影响。想要将太空船由星球表面推送至轨道上则推力必须够大，总推力必须大于重量方能将太空船推上轨道。另外越快将太空船推上轨道，受到星球重力的影响时间越短，损失的能量就越少。因此具有自星球表面起飞能力的太空船必须拥有巨大的推力才行。

　　现在来讨论火箭推进系统中各种子形式的优劣和运用范围。基本上各式系统可以其燃料种类来分类，再以推进方式来作进一步细分。目前已知的燃料种类基本上可分三种，即为化学能，包含核裂变与核聚变的核能，以及以反物质与物质对湮灭产生能量的反物质燃料。就推进方式而言，则第一种推进形式的火箭推进系统可依应用技术的不同分为热推进系统与电磁推进系统，加上第二种推进形式冲压推进系统与第三种推进型式的光压与磁压推进系统。

　　所谓的热推进系统，即为以燃料产生热量来加热工作流质，使其以高速喷出以获得反作用力的系统。这是目前最常见的系统，这类系统的特性是拥有相当大的推力，但缺点是其燃料效率会受限。这是因为工作流质的喷射速度与燃烧室内的温度和压力成正比，但温度和压力并不是可以无限增高的。燃烧室的温度承受能力会受到材料因素的限制，另外还必须考虑热转换时的损失，通常无法达到理论上的最佳喷射速度。

　　电磁推进系统则是将燃料转换成电力输出，以此电力驱动线性马达，用以发射带电粒子如电子，离子与电浆等来获得反作用力。这类系统由于没有温度的限制，可用十分逼近理想喷气速度的高速度来喷射其工作流质，因而燃料的能量转换效率十分高。缺点是由于作为推进工作流质的电子与电浆质量太小，因而其推力十分低。通常需要以极长的时间来加速方能达到极速。且由于推力过低，无法用于星球表面的抗重力上升的需求。

　　冲压推进系统则可算是热推进系统的一种，但由于其特性将其独立出来自成一类。此种系统乃是吸入星际物质用以做为燃料与推进剂工作流质，优点是可以加到极高的速度，缺点是无法减速煞车。

　　最后是光压与磁力压推进，这是采用外部能量来源作为推进系统，本身并不携带或仅携带极少燃料，因而可规避上面的火箭速度公式限制，用很低的能量消耗达到很高的速度。缺点是推力相当低，加速时间长且航道固定。

　　以上的系统并非是互斥的存在，基于其特性，具有同时存在甚至是混和使用的可能性。为求易于了解，这里设定一艘标准太空船来作为不同推进系统效能的比较参考。其基本资料设定为：

　　太空船本体质量100000t
　　携带燃料质量10000t
　　太空船全重110000t
　　质量比(M+P)/M1.1
　　以这个标准平台来作为不同推进系统比较的比较平台。也就是说，我们以这一艘太空船与如此的燃料携带量作为参考基准，更换使用不同的推进系统，视其速度状态的变化来评估各种推进系统的特性。所要比较的各式推进系统将在下一节叙述。

第三节第一种推进形式之各式火箭推进系统
1.化学火箭推进系统
　　这是目前普遍使用的推进系统，算是十分原始的推进系统。其以化学物质间的化学反应来提供主要动力。以目前的技术，化学火箭的比冲在200秒到480秒之间，喷气速度Vc大约在3~5km/s左右。化学推进系统除了化学能的能量转换效率之外，还有工程学上的热度与燃烧室压力限制等问题存在。即使未来的化学推进剂的改良达到巅峰，其Vc也不太可能超过10km/s的水平，因此其前景有限。若装备Vc约为5km/s之化学火箭推进系统，则标准太空船所获得的ΔV为477m/s。

　　化学火箭的优点是和其它火箭相比，引擎重量非常轻（较重的部份是燃料的重量），并有极高的推力，可推送大量载荷抗重力上升。缺点就是这个477m/s的ΔV与其它形式的火箭比起来实在太小了。化学火箭理想喷气值约为5000m/s左右，目前的化学火箭工艺技术至少在喷气速度方面已经达到极限，进一步的发展主要是在系统减重，减少价格与寻找更有效率的新燃料方面。不过如前所述，所能增加的效果也是极为有限的。

2.核裂变式推进系统之一，核裂变热推进引擎
　　这是以核裂变作动力源的推进系统。其燃料主要是铀235或是钸239。就能量利用方式的不同可以分几个支系。以火箭系统的支系而言，是以核裂变燃料产生热，加热燃烧室中的工作流质（即推进剂）使其喷出。通常采用分子量最低的氢作为获得反作用力的工作流质以求得最高的喷气速度。美国在六零年代曾经进行过一项称之为「核子引擎火箭推进系统应用」的研究计画，（NuclearEngineforRocketVehicleApplications,NERVA）测试过这类核子火箭的可能性。

　　NERVA没有实际升空测试，而是把引擎放在地上，喷气口朝天喷射的大规模引擎测试计画。这个计画中建造了十数部引擎，密集测试了数十次。其中测试机组中的最高出力约为1130MW，比冲约为850秒，推力从一万磅到二十五万磅的都有。最高记录曾以全功率连续运转28分钟。而且这些只是以60年代的技术作出来的测试用引擎，便有90年代最先进化学火箭两倍以上的比冲量。以这个测试用引擎的能力，约可使标准太空船达到794m/sec的ΔV。而此种引擎的理论理论比冲值约在750秒到1200秒之间。

　　NERVA研究计画后来在80年代美国政府删减火星登陆计画预算时中止，所有设备皆被弃置，但宝贵的测试资料与经验都留下来了。如果需要的话，这种引擎是能在最短时间发展出来的优秀次代火箭引擎。和尚未成功的受控核聚变火箭相比，这种核裂变火箭用的是已经成熟，相当实际的技术，只要投下经费，十年内便可建造出可靠的引擎装到太空船上。

　　另外一方面，即使NERVA计画结束，大量理论方面的基础研究并未跟著停止。就核裂变热推进系统而言，理论上具有另一种较为优秀的引擎存在，即气态核心反应炉。这是相对于NERVA计画中使用的固态（石墨）核心反应炉而言，以铀电浆与氢混和的气态炉心反应炉。其比冲潜力在5000秒~10000秒之间。这类引擎的困难与受控核聚变炉有点类似，皆为炉心高温气体的处理相当麻烦。不过由于其并非欲进行核聚变，气体温度仅约摄氏数万度，远较融合炉的数千万到上亿度为低，因而难度低了许多。若取理论平均值7000秒比冲来计算，则使用这类系统的标准太空船之ΔV可达到6538m/sec。但这类系统，包含固态炉心的NERVA计画都有个相似的缺点，即其排气具有放射性，因此不能在地球上使用。在太空中则无妨，因放射性气体会很快扩散开来。核裂变系统的理想喷气值约为11200km/s。

3.核裂变式推进系统之二，核裂变电推进引擎
　　这种系统简单的来说，就是用核反应堆发电，以电力来加速发射带电粒子来获得推力。当然这个反应堆的体积和重量必须缩小到能够装进太空船中才行。而小型反应堆已经算是相当成熟的技术了，例如目前最小的核潜艇排水量才两千吨左右，因此基本上此类系统问题并不大。而发射的带电粒子则可从电子到各式离子与电浆等范围，视需求而有不同。基本上为求得较高的推力与较快的加速度，工作流质以质量较重的金属离子或电浆为主。若是要求效率的话则就以发射较轻的粒子如氢离子来得到较高的喷射速度。

　　要注意的问题是需保持太空船的电中性，若是一直制造并发射正离子的话，太空船就会累积负电荷，因此得在离子喷射口中一并喷射电子。若是用电浆推进系统的话则无此问题，电浆本身就是电中性的气体。这类电推进系统的比冲非常大，通常约在1000秒~10000秒之间，这是以光电池等一般动力输出得到的比冲值。但其潜力不止于此，若是能以核裂变动力提供源源不绝的能源来加速很轻带电粒子，则具有把比冲提高到100000秒的潜力。以具有100000秒比冲的引擎来计算，标准太空船约可达到93404m/sec的ΔV。

　　这类系统的缺点是推力非常低，其为了效率必须使粒子加到极高的速度喷射，但粒子的质量非常小，单位时间内能喷射的粒子质量有限因此获得的推力很低。故采用此种系统的太空船加速度会非常低，一般大约在10的负5次方个G左右。因此必须持续数周到数月的加速才能达到设计上的最高速度，同时也不可能推动太空船从星球表面起飞。

4.核聚变式推进系统之一，受控核聚变推进系统
　　这是把前面的核裂变热推力引擎的能量来源改成核聚变，基本原理是一样的。基本上较受到注意的反应方程序有以下这几个：
　　D+D->T+p+3.25MeV
　　D+D->He3+n+4.0MeV
　　D+T->He4+n+17.6MeV
　　D+He3->He4+p+18.3MeV
　　四个方程序中最有效率的是第四个氘与氦三融合的反应，且此一反应不产生中子，几乎毫无污染，安全性非常高。但地球上不产氦三，只在核子炉中有少量生产，因此价格较高。月球表面氦三倒是很多，但必须建立开采能量。而第一个两个氘之间的融合则原料比较便宜，氘可以从海水中提炼出来，不过这个反应效率较低。第二第三个反应则会产生中子，会有较大的中子射线屏蔽的的问题。

　　使用受控核聚变引擎，则随著不同的需求会有不同的比冲值，理论比冲值潜力在1万秒到200万秒之间。比冲值的差异在于混入气体的调整。简单的来说，如果在融合炉开个出口，让氘与氦三反应产生的电浆慢慢泄漏出来，用融合反应产生的能量将这些电浆喷射出去，（也有直接用反应炉开洞喷射的方法），就可以得到秒速两万公里的极高的喷气速度，因此而能有约200万秒的比冲值。但是基于与电推动系统相同的道理，电浆的单位流量质量非常小，所以虽然喷气速度高，推力却不高。但如果在从融合炉排出来的微量电浆里加入氢混和之后再一并排出去，则由于混入氢之后喷射气体的质量提高了，使喷气速度Vc下降，比冲值也跟著下降，但推力却可以大幅增加。将氦三－氘反应电浆与氢以1:99的比例混和，即喷射排气中含有99%的氢的时候，喷气速度会降成秒速一百公里，比冲值约为10000左右。

　　故此种受控核聚变推进系统可以用调整氢气导入量来改变推力，在一些需要大推力如超越重力梯度的星球起飞或是紧急加速时非常方便。但这就会造成短时间内效率的下降，会稍微降低太空船的最终速度。附带一提的是，第四个公式的氘和氦三反应产生的是氦四，氦四是一种惰性气体，不含辐射线，所以第四个公式反应之引擎加上氢气喷射的标准太空船可以直接从地面起飞，不会有辐射污染的问题。唯一的问题是这种引擎的出力太大，起降场地面积要很大，且清场得清的干净一点，任何太靠近的人都会倒足大霉。以两百万秒的比冲值，秒速两万公里的喷气速度来算，则约可使标准太空船达到1906km/sec的ΔV值。核聚变基于其理论能量转换效率，其理想喷气值约为26800km/s。

5.核聚变式推进系统之二，核聚变脉冲推进系统
　　虽然受控核聚变技术尚未完成，但目前也有可以立刻使用的核聚变推进方法，就是引爆氢弹来推动太空船。这种方法被称为核聚变脉冲推进或是爆震推进。基本上的设计是这个样子的，以数吨到数百吨TNT威力等级的小威力氢弹做为燃料，作成微型氢弹燃料球，每个燃料球直径大约只有一两公分。然后在内藏或外部的燃烧室中央以高能聚焦电子束或是雷射束来点燃这些微氢弹来诱发爆缩式的核聚变反应。这些氢弹爆炸后将会产生高温高压电浆，然后与混和的氢从燃烧室喷射出去获得推力。

　　这种系统构造惊人的简单，燃烧室强度不需要很大，因为每个氢弹球的威力是可以事先调整的，只有数吨TNT甚至是只有公斤级TNT等级威力的微氢弹也是可以作得出来的。以目前的技术，完全可以做出可以承受此种等级爆炸威力的燃烧室，当然燃烧室外层还是要装上超导线圈，弄出磁场来减少电浆对燃烧室壁的侵蚀，同时巧妙灌入的氢气也可以有效保护燃烧室壁。

　　即使是小威力的微氢弹，如果以每秒数十枚到数百枚的流量射入燃烧室内引爆便可获得相当高的总推力，且此推力可由调整氢弹流量而调整。这可以用简单的机车二行程引擎来想象，在二行程引擎中也是用混和油气的爆炸来提供动力，同时用调整油气流量来得到不同的加速度。驾驶员只要转动油门便可以加速。

　　这种系统除了氢弹燃料球流量外，与受控核聚变引擎相同的也可以经由导入燃烧室混和的氢气数量来改变推力。这类推进系统已经经由成功的试飞实验证实，不过用的燃料不是氢弹而是炸药。刚开始实验时那些科学家曾不小心把测试火箭炸成碎片，不过后来经过一些调整，成功的把小火箭发射到数十公里的高空。由于是用连续的爆炸脉冲推动火箭，所以称这类推进系统为脉冲式推进或爆震式推进。

　　这类系统的比冲潜力约在一万秒到一百万秒之间。还有系统构造极为简单，造价非常低的优点。缺点是比起受控融合炉的液态燃料储存方式，固态的燃料球在贮存与运输上都会比较不方便，占的空间会相当大。使用这种推进系统的标准太空船之ΔV是受控融合系统的一半，约953km/s左右

　　另外必须一提的是，脉冲推进法也可以用在化学燃料与核裂变燃料上。对于化学燃料使用这种方法的效果尚在研究，但是就核裂变燃料而言，使用此法有一些先天缺陷存在。就核聚变而言，当量是没有限制的。大到太阳等级的核聚变反应，小到只有几毫克电浆的聚变反应都没问题。所以可以把单次爆炸威力减低到燃烧室可以承受的地步，再用多次爆炸来维持推力。但对于核裂变而言则存在著一个临界质量，只有在超过临界质量的情况下才会产生连锁式核裂变反应。因此至少要有一定质量的分裂物质才能产生核裂变，换句话说，爆炸威力是有一个下限的。这个下限随著分裂原料的不同，大约是数千吨到上万吨TNT当量左右。而一般的燃烧室无法承受这么大的威力，因此必须使用开放式的外部爆震推进法，而这会造成能量的浪费。且即使是使用此种方法，想承受每次数千吨威力的爆炸，对于太空船的结构将是一个很大的考验，更伤脑筋的是中子源等辐射屏蔽的问题了。因此在技术上，反而是核聚变脉冲推进系统较为简单易于被接受。

6.正反物质对的湮灭--光子火箭系统
　　此种推进系统乃是火箭系统理论上的极致。以正反物质对消灭来获得能量的光子火箭，可以极限速度光速来喷射光子或光波获得推力。因此其理论喷气速度达到上限，为每秒三十万公里，比冲值上限约为三千万秒。装备这个系统的标准太空船可获得约28600km/sec的ΔV，远高于前述任何推进系统。但同样的，光子的等效质量非常低，因而推力会很低。想增加推力唯有靠老方法，于对消灭反应炉中导入氢气，代价就是降低比冲值。

　　不过与核聚变反应炉不同的是在对消灭火箭中这是两个不同的反应过程，需要用不同的系统。就核聚变炉而言，进行反应后产生能量，并融合成氦四的电浆气体仍是以电浆形式存在，其以热能的方式提供能量，之后可以直接将这些融合后的电浆气体以热能喷射或以电推进的方式推动喷射，是否加入氢气并不影响这个过程。但在正反物质对消灭中，燃料将完全消灭，剩下来的是以光子型态的能量，使用反射镜将这些光子集中成一束单向发射来进行光子推进获得推力，这就使得此类系统必须以光子这种极低等效质量的粒子为唯一的推进剂。若是想用导入氢气增加推力的方法，则必须回到类似于融合炉之类的密封燃烧室设计，只不过在其中以正反物质歼灭来取代核聚变反应，但这种设计将无法进行最高效率的光子推进。换句话说，高效率光子推进系统和可变推力系统是两种不兼容的系统，必须独立存在。

　　也就是说若是太空船想以反物质燃料同时获得高效率推进与大幅推力调整的能力，则必须同时装备这两种引擎。当然两者可共享同样的反物质燃料槽与液氢槽，但液氢槽容量将远比反物质储量大，其中将只有少部份用于对消灭反应，绝大部份则是供给推力调整引擎作为被喷射出去的推进剂。这实际上已经可以算是一种混合式推进系统了。光子火箭的缺点是推力太低（不考虑可变推力系统的话），反射高能光子（γ射线）的反射镜制作极为困难，还有反物质燃料十分昂贵。

　　就燃料而言反物质是可以人工制造的，而且不需要任何特殊原料。物质和反物质实际上便是冻结了的能量，因此可将能量转换成反物质。目前在回旋加速器进行高能粒子碰撞中已可产生并收集反粒子，但由于所需能量太高因而产量极低。以目前的技术水平，反物质的生产成本为每毫克三千亿美金，这当然是不可能被接受的价格。但由于反物质的能量转换效率是理论上最高的一种，具有极高的应用价值，因而将来反物质的生产可会能成为一个大规模的产业。构想中的方法是，在水星以内的环日轨道上建造超大型的回旋加速器，并配置大量太阳能光电板与太阳热电力的方式发电，以太阳的巨大的能量来生产反物质。整个系统的建造成本会很高，不过维护操作成本就会很低了，原料则完全不需要，只要太阳没有停止发光就成了。

7.太阳能火箭的最新发展，太阳能电推进系统
　　这是与核能电推进系统完全相同的系统，只不过动力源改成太阳能。此类系统是目前人类的技术结晶，且已有现货。已于98年10月24日发射第一艘使用此类系统的太空船，即DeepSpace1深太空一号。将来的行星探测太空船大部分都会装上此类系统。它使用新型更轻更薄的高效能太阳能板，发电效率远比旧式太阳能板高，故可以让离子引擎在远地行星如海王星，冥王星一带有效运作。将来的大型太空船也可以装上此类系统。这可以说是将来太空船的主要推进系统，因为可以直接由日光中取得能量，故效率在第一类推进系统中排名第一。自然在需要更高加速度与远离太阳的地方需要与其它推进系统如核聚变系统配合。核能电推进系统的推进器与太阳能电推进系统是完全相同的，所以可以使用同样的推进器，同时装设太阳能与核能两种动力源，这也可以减低系统的重量。

第四节第二种推进形式：星际冲压喷射推进系统
　　星际冲压喷射推进系统的想法与具体计算结果乃是在六零年代由洛斯•阿拉摩斯研究所的R•W•巴萨德所提出。这种形式的推进系统原理十分简单，也就是喷射机引擎的运作原理。从行进方向吸入气体，加速后往后喷出以获得反作用力。

　　太空中虽然号称是真空，但仍然是有气体分子存在的。当然密度非常小，平均大约是每立方公分的空间中有一个粒子，但有些具有丰富星际气体的地带的粒子数量可能在通常的百倍到千倍左右。如此稀薄的气体使得冲压喷射推进系统的进气口要够大才能吸入足量的气体，基本上在星际气体通常含量的空间，进气口需要有直径数千公里的面积才行。但实际上真正的进气口会只有几百公里左右，再由进气口用线圈造出直径几千公里大小的电磁场漏斗来电离并吸引星际气体。

　　这个方法的缺点是磁场的强度会非常高，会有数万到上百万特斯拉，而这种强度的磁场产生的拉力将会让线圈崩毁，因此必须用低重量高强度的材质固定线圈，构想中的方法是用钻石来束缚，但这个钻石本体也会有数千吨重。

　　除了电磁漏斗吸引的方法外，也有另一种方法，即用电磁透镜聚焦星际气体离子。这种方法所需的磁场非常小，约数百到数千特斯拉，但电磁透镜必须放在进气口本体前几千万公里到几亿公里的地方，因而会造成一些困扰。想缩短距离则就必须加大电场，但这一来就会面临原先规避的磁场强度过高的问题。另外这种方法会有色差的问题，即聚焦不够精密造成的散射损失。这种系统的优点是不需要携带燃料，其所使用的燃料质量为星际气体密度乘以太空船进气口扫掠过后的体积，即最大进气口面积乘航行距离再乘以星际气体密度。但此类系统和所有的冲压系统一样，无法在低于某个速度的情况下使用，实际上这个临界速度约在光速的十分之一到十分之二之间。因此必需使用其它型态的推进系统作为第一节加力器，让太空船达到启动冲压推进系统的临界速度。再者这类系统也无法减速，而其所达到的超高速度也让使用他种系统减速十分困难。

　　最后，这类第二种推进形式的系统因其不需要携带燃料（不考虑加力器燃料），因此不能使用火箭速度公式，必须使用另外的动量守恒公式。故在此不能用前面的标准太空船公式计算最终速度。就理论上而言，最佳喷气速度为光速的冲压喷射系统（即正反物质反应系统）所能达到之巡航速度等于装载了冲压系统航在线能吸入的所有星际气体的质量的反物质火箭所能达到的速度。但由于星际气体是正物质，因此最佳喷气速度不可能等于光速。

　　若以核聚变动力之喷气速度来看，则此类系统的效率将远高于第一种推进型态的核聚变火箭系统，其可以用相同的质量比达到更高的速度。重点就是其完全不需要携带燃料，飞行越久吸入的星际气体就越多，故质量比也就越高。换句话说其最终速度乃视其飞行时间而定，属于一种变动质量比甚至是质量比近于无限大的系统。理论上是唯一可以进行永恒推进的系统（其它推进系统虽然也可以永恒飞行，但无法永恒推进）。因此此类系统乃是目前理论上能够最接近光速的系统。

第五节第三种推进形式：光压推进系统与磁压推进系统
　　如同帆船可以乘著风前进一样，太空船也可以乘著光前进。采用此类推进方式之系统被称为光压推进系统。电磁波是具有动量的，马克斯威尔导出的电磁场方程序中便已指出这点。

　　光的辐射压效应是目前设计高轨卫星与行星探测船的主要考量因素，因为它造成的力矩会扰动太空船的航道，在一万哩的高度以上是太空飞行体的主要扰动来源。目前这种形式的光压动力被用在行星探测船上，但主要是用于姿态修正而非作为推力。比如航海家四号便以改变光压力矩作为姿态控制。作为主要推力的光压系统的最简单概念便是太阳帆，用一块镜子放在太空中，它自己就会受到太阳光压而前进。

　　太阳帆的制造在技术层面上有些麻烦，因为它必须非常薄，同时面积要非常大。但这并不是完全办不到的那种困难，而是效率方面会因为技术水平的不足而滑落。太阳帆目前已有成品，前苏联曾经在太空站上测试介于太阳帆与大面积反光板之间的产品，另外以光压为主要动力的太阳帆成品则是民间的一些业余团体作制造。「世界太空基金会」(WorldSpaceFundation)与「法国光子动力推进联盟」(FrenchUnionPourlaPromotiondela-PropulsionPhotonique)便已于几年前造出小型光帆航行载具，并希望能在1992年哥伦布发现新大陆五百周年时能让此太阳帆航向月球。但这些业余团体无法支付火箭发射费用，同时也没有其它班次的发射载具能让他们的产品搭便车，所以至今仍然没有发射入太空。

　　单靠太阳光压的光帆的优点不需要花费任何燃料成本，缺点是推力太低加速过慢，同时远离太阳的地方光压会过低。其推力可由以下公式求得：
　　F/A=2(S/C)
　　根据经验太阳能流量（Solarflux）S=(3.1*10^25)/R^2
　　其中F/A为每平方米的推力值（牛顿），C为光速（3*10^8m/s），S为以瓦计的每平方米能量流束，R为自太阳起算的距离（米）。在距离太阳一个天文单位的距离下，日光功率约为每平方米1400瓦，面积一平方公里的太阳帆约可获得10牛顿的推力。若是假设此光帆重量为一公吨，则所获得的加速度仅有约千分之一个G左右，可用此数据来简单推估光帆系统的性能让大家有点概念。同样我们以标准太空船为计算对象，但将其一万吨之燃料携带量作为其所使用之光帆重量，其计算如下：

　　假设一平方公里面积的光帆重一吨，则一万吨的质量空间可装设一万平方公里的光帆，再假设太空船由距离太阳一个天文单位的地方出发，即其出发点位于地球绕日轨道上，则每平方公里的光帆获得推力约为10牛顿，面积10000km^2之光帆获得之总推力为10000*10=100000牛顿。船体加帆总质量为110000吨，根据F=m*a之牛顿运动公式计算，太空船之加速度a为：

　　100000牛顿=110000,000kg*a=>a=0.00091m/s^2
　　可将其除以9.8m/s^2换算成等效重力，约为0.000093G，即约为万分之一个G的加速度。又由于光压推力将随光帆与太阳之距离而下降，这会使计算必须采用积分的方式而使计算过程复杂化，为求简化，我们仅计算此光帆在前一光秒的距离内的加速度。一个天文单位约等于500光秒，一光秒距离仅为其五百分之一，故光压随距离增加下降的程度可以忽略。在这第一光秒的距离内，太空船可以达到的速度可如此计算：

　　V^2=V0^2+2*a*s
　　由于初速V0为零，因此我们只考虑加速度a与距离s此二变量
　　V^2=2*0.00091m/s^2*300000000m--式(a)
　　V^2=546000m^2/s^2
　　V=739m/s
　　再以V=a*t求出加速时间t。
　　739m/s=0.00091m/s^2*t
　　t=812088sec，将这个数字除以86400可以换算成天数，约等于9.4天。
　　根据以上的计算，标准太空船可以使用一万平方公里的光帆，在九天半的时间内加速到739m/s的速度，并在这段时间内前进了一光秒的距离（地球到月球的距离约为1.3光秒）。而这个速度大约略为低于于采用NERVA计画中测试的的固态核心核裂变动力推进系统的标准太空船的最终速度。

　　当然只要太阳没有熄灭，光帆船可以继续加速，但由于远离太阳时光压会下降，因而最终有一速度极限，这个极限主要视光帆的性能与其质量占太空船的比例而定，光帆的性能越高指其越薄，能以更低的重量提供相同的推力。而质量比例越大则代表其加速度越高，极限加速度则由光帆性能而定。加速度极限便是100%光帆零酬载的加速度，此例中极限加速度为千分之一个G。光帆质量比例越大则太空船加速度会越趋近这个值，但光帆占越大的比例也代表太空船酬载越小，超过一定程度时增加的速度的利益将会被减少酬载的损失抵销，因此质量比例有一最佳值，主要改善目标还是会放在光帆性能上。另外一个加速的方法是从更靠近太阳的地方出发，此时可以获得更高的初期推力因而能有更高的最终速度。

　　光帆的更进一步运用是用人工主动照射来获得推力。人工照射可分为以采用聚光照射或是主动发射能量光束两种。聚光照射即为于近太阳轨道建立反光板阵列群将太阳能聚焦投射到远处的光帆上，如此可使光帆在相同的距离下获得比平常更高的能量输入，或者在更远的距离减低太阳光散射光压降低的损失而能够达成更长的能量输入距离，两者都能增加光帆的最终速度。这种方法会稍微增加一些成本，主要是聚光站的建造与维护成本，光帆包含聚光站的能量来源同样也是免费的。其所增加的速度可以用最简单的增加推力与加速时间来推估。

　　例如若从1AU的距离开始出发，若聚光站的照射能让光帆输入增加N倍，则推力与加速度亦可增加N倍。另外增加照射时间可将式(a)的加速度经过修正后再乘上秒数而定。若是聚光输入增为十倍，且能量不衰减距离增为1000光秒的话，则在此段距离内的加速将成为73892m/s，约为73.89km/s。而照射时间则增加为94天，约三个月。这个速度已经高于任何核裂变动力火箭并接近脉冲核聚变火箭能达到的速度了。如果聚焦能力能够再加强，让能量不衰减距离能够再拉长，则此太空船的速度最终将超过运用核聚变动力火箭系统的标准太空船。

　　当然，一切能量源还是免费的，这就是最大的重点。另外需要一提的是增加对光帆的输入和光帆接收能量不衰减的距离是一体两面的，只要聚光能力加强两个都可以加强，但就光帆而言，其输入是有上限的，过大的输入会烧毁光帆。因此聚焦能力超过一个限度后（实际上很容易就会超过），便会在光帆船于近距离时将聚焦光线输出减弱至光帆能够承受的安全系数内，而光帆远离时再逐渐增加输出以弥补距离拉远时的散射损失，以此来将光帆的推力(即能量输入)维持在一个定值。

　　另外聚焦用的太阳能板阵列则没有烧毁问题，由于不需要长距离高速移动，它可以做的较厚，同时也可以增加面积与数量等来增加输出。基本上聚光板是没有性能的限制的。而光帆的能量承受安全系数亦是光帆的性能值的一个重要参数。

　　主动发射则是由人工放射能量光束进行冲击推进，这种方法需要付出的成本较高，重点是在建立光束发射站，发射光束来照射光帆使其获得推力。与纯粹的太阳光聚焦站不同的是这种光束发射站可以自由挑选所使用的光束波长，不同于聚焦站只能纯粹的聚焦日光。当然，光束发射站的能量来源也可以使用太阳能，如此同样没有燃料费的问题，但是在建造与维护成本上显然会比聚焦站的太阳能反射板高上许多。

　　光束发射站的一个使用时机是在远地星球上的运用，比如建立在木星上。太阳能聚焦站必须靠近太阳才行，但是光束发射站却可以远离太阳。当然此时就无法运用太阳能而必须使用核聚变发电来作为动力来源了。这会使成本增加，不过这是要在远地行星运用光压系统所必须付出的代价。

　　由于可以自由选用光束波长（一般是在建立发射站时就决定波长，可调频的光束发射站则会在设计时有一波长范围限制），因而可以控制光束发射天线的面积与光帆的面积，甚至可以控制光帆的重量。这类系统通常有较聚光站有更佳的聚焦能力，因为他能够调整波长因而能够照射的更远而不衰减。但在长距离照射下仍然有一些问题存在。

　　基本上光帆的能量转换效率主要有两个参数影响，一是太空船速度，另一是光线聚焦能力。就光帆而言，光束直径小于等于帆面直径时，所有能量直接投在帆面上，此时光线会被反射与吸收。但在太空船速度低时，入射光线以反射为主，而反射产生的能量传递效率是很低的。

　　而太空船速度一旦加到接近光速时，光线与太空船之间的都卜勒效应便会急遽增大，光线由偏向反射变为偏向于吸收，能量传递效应就会增加。因此太空船速度越大，能量吸收效率就越高，从接收的能量中所获得的加速度就越大。但在距离一远，光束直径大于光帆的直径时，能量便不是完全投在光帆上了，此时就会有光束扩散的能量损失。这个损失与太空船与光源距离的平方成正比。而要减少这种损失就必须增加光束的聚焦能力。或者采用暴力法，直接在远距离时增加输出以弥补散射的损失。

　　以上两点跟聚光站是一样的，但就第二点而言，由于增加光束发射站输出的困难度与成本远较聚光站的纯粹增加反射板高，因此就光束发射站而言，采用第二种方法很容易不符合成本，因此仍将以增加光束聚焦能力为主要手段。需注意的是这里的「能量光束」并非单指可见光范围的光线而言，而是在长到公分波，毫米波等级的电磁波束到波长极短的硬Ｘ射线光束范围内，这就是可挑选波长的光束发射站的优势了。

　　一般来说，光束波长短则聚焦能力越强，所使用的发射天线面积也就能够越小。比如若使用硬Ｘ射线这种极短波长的光束，则发射站的天线口径可能只有数百公尺到数公里。波长一长则天线口径就会越大。但波长不是越短越好，还需要光帆的配合，光帆是否能够吸收该波长的光束，或者此种光帆是否能作的很薄很轻，这些都是考量重点。同时短波长不一定保障能缩小天线口径，因为若是发射能量固定，则口径越小发射天线表面的能量密度就会越大，甚至有可能大到光束发射瞬间就烧掉发射天线，因此天线口径还是有下限的。比较可能的是用较长波长的光束，并使用天线阵列群来达成大孔径的需求。

　　另外波长一长，帆的重量便有可能降低。因为光线在碰到孔径比其波长短的金属网格时会完全反射，跟碰到没洞的金属板效果是一样的。一般家庭的微波炉便是运用这种效应让人能够看到加温中的食物（不过还是建议大家别去看），使用波长较长的微波或是毫米波光束，则便可使用由金属细丝织成的网状光帆，如此不需要特别技术便可自然降低光帆重量。也可以在相同的总重量下增大光帆面积。

　　基本上，聚光站将会被运用在近距离的低速的光帆船上，而光线发射站则会应用于远距离的高速光帆船之上。就内太阳系运作或是飞向远地行星任务而言，聚光站是一个相当好的选择。而在远地行星飞向内太阳系（这还必须要抵消太阳的光压）或是往更远的太阳系外层移动则以光线发射站系统为佳。这两种系统算是互补的形式，前者应该会建立在水星以内的太阳轨道上，后者则应该会建立在木星上，从木星提取燃料来运作。

　　光压推进系统的最大优点是价格，因为其太空船不需要携带燃料，燃料费用自然就省下来了。聚光站与光束发射站虽然需要建立与维护成本，后者也可能需要燃料成本，但大量运用下来采用此类推进方式系统在价格上会极具竞争力。即使是需要燃料的光束发射站，若使用相同数量的燃料，其能使太空船增加的速度会高于火箭推进系统所能增加的速度。而这类系统的缺点是其太空船的推力方向会受到限制，且在远距离时运作效率会低落，比如要在冥王星周边运作（不是飞向冥王星）效率会降低，其飞行方向垂直于光束时甚至没有作用，且太空船会有一固定的航道而较难作机动。

　　聚光式光压系统的另一个延伸概念，是光帆航线与光帆船团。用大量太阳能光板聚光可以产生一条航线。并不瞄准某艘太空船，而只是对准一个方向造成一条光道。任何有装帆的太空船只要进入这条光道便可以获得动力。此种概念将会产生出光帆航线与光帆船团。太空船在进入光帆航线内可以获得光压动力，离开后则使用自备的火箭引擎推进。这也是一个节省燃料的方法。

　　第三种推进形式的另外一个概念便是磁压推进系统。它和光压系统相当类似，不过利用的是太阳的磁场。太阳会放出太阳风，这是一种流动的电浆，电子与质子气体，其速度约为每秒五百公里。因此若用超导体线圈造出一个环状的电磁场帆便可以让太空船乘著太阳风飞行。

　　磁帆的组装与操作皆较为简单，只要把圆圈型超导电缆通上电流，它就会受磁力而自动膨胀成完美的圆形。打开电流开关则磁帆便可乘太阳风风推进，不想推进时只要关掉开关即可，不像光帆还需要收帆或改变角度。不过磁帆需要使用大量高温超导体，而这目前仍在研究。磁帆本身的性能也只有一些理论上的探讨。基本上磁帆在接近太阳的地区如近地行星带中效率较好，可能会比光帆好些，端视高温超导体的发展而定，在远地行星则效率降低。再者前面使用微波光束照射的网格状太阳帆若是部份采用高温超导体制造，则同时亦可有磁力推进的效果存在。

第六节三种推进形式系统的比较
　　关于各式推进系统的简单介绍到此为止，接下来则来探讨各种推进系统的可能运作情况。就第一类推进系统而言，化学火箭仍会是短时间内主要动力源之一，即使核能火箭开始运作，初期仍是要靠化学火箭来作地球表面至绕地轨道间的举升运载。但就行星间太空航行而言，化学火箭十分不经济，因此将会很快的被更佳的系统取代。

　　核裂变电推力火箭技术难度与受控核聚变火箭相比并不高，同时此类核电动力系统已累积大量的运转经验，因此有可能在短中期内成为主流，而核裂变的热推力火箭目前则是卡在环保问题以及政治问题上。实际上若是没有政治因素的影响，这类系统现今应该已经发展成熟并大量运用中。但既然已经拖延到现在，则可能会还没正式上台便结束其生涯。因先进的核裂变热推力系统之概念（气态核心炉）与核聚变系统相当类似，同时核聚变系统的能量效率又远较其为高，而构造简单的核聚变脉冲推进系统又是可以立即上马，又没有核裂变系统的污染及辐射屏蔽问题，因而完全可以轻易击败核裂变热推力系统。再加上核裂变系统所用的燃料铀与钸等价格又较贵（藏量较少之故），因此很有可能会直接跳过核裂变热动力系统直接使用核聚变脉冲推进系统。

　　至于受控核聚变推进系统则由于受控核聚变尚未发展完成，同时即使发展完成，想成熟到能够装备至太空船上仍须一段时间，因此中期仍然应以核聚变脉冲推进系统为主。不过长期下来，受控核聚变系统仍然会成为主流，这是因为其比冲值较高的缘故。再者受控核聚变的发展同时还有提供太空飞行以外一般能源的目的。

　　核聚变脉冲喷射则是为了太空飞行而发展的方法，并不适合用于作为供应一般能源的发电使用。目前受控核聚变虽然也有以雷射爆缩的惯性拘束研究，但用在发电上系统的复杂度将不下于托卡马克的磁场电浆拘束系统，且输出功率也会较低。目前的雷射爆缩研究目的与其说是为了用来发电作为能源供应，不如说为了军事用途的核爆研究。

　　不过即使是受控核聚变系统普及之后，核聚变脉冲推进仍然会以其极为简单的结构，相当大的推力与较低的系统故障率与价格而能占一席之地。特别是中小型的太空船就很可能会选择使用脉冲推进系统来作为推力源。象是百吨级或是千吨级的区间联系船，小型人员运输船，中型探测船或是区间太空战斗机，甚至是大型飞弹等都很可能都会使用此类系统。至于星际冲压喷射系统，则除了超长程恒星探测船外没有其它的市场，因而其进一步研究发展可能要再拖下去了。

　　而第三种推进形式的的光压与磁压推进系统则具有极大的潜力，关键乃是在于价格方面。比如前文举的太阳光压系统一光秒距离加速的例子与核裂变动力火箭相比，两者间的巨大区别是火箭系统可能仅在几分钟内便可达到此一最高速度，但需要支出庞大的燃料成本，就核裂变引擎的标准太空船而言是一千吨富铀的价格，推进系统本身的造价尚未计算在内。而光帆系统则需要加速九天半，但是一毛燃料费用都不用花，只要太阳不熄灭就成。

　　而光帆本体的价格则很便宜，从金属薄膜，凯夫勒纤维镀金属甚至网状材质等都有，总之能比一千吨的富铀贵的材料似乎并不多。再者核裂变火箭的这一千吨富铀（或者是核聚变火箭的氦三或氘）都是会在飞行中消耗掉的。而聚光站与光束发射站都可以重复使用，因此价格可以分摊下来，实际上建造这些系统的成本并不比铀矿的开采与提炼设施贵多少（运费除外）。

　　另外光帆可以重复使用，也可使用一次就丢掉，端视需要而定。换句话说，光帆的消耗性能量主要来自太阳，而这价格极低，其它推进系统的消耗性燃料在这方面无法与之竞争。但光帆系统的航道与机动远不及火箭系统，因此在行星间航行与输送中光帆系统将会是主要的「辅助动力源」。也就是同时装备火箭系统与光帆，有点象是装了蒸汽引擎的帆船，或者是装了帆的蒸汽船之类的。

　　虽说是辅助动力，但可能是整个航行中一半以上到90％的能量是由光压提供。火箭系统仅于紧急时使用，或作为停车靠泊与航道修正时的辅助动力。但有个例外，军用舰艇不可能以光帆为主要动力，至少在战争时不可能，因为光帆系统的航道十分固定容易被预测，且体积，或者说是面积庞大，非常容易被侦知与破坏。因此在战斗舰艇上应该是以核聚变推进为主要动力，另预留搭载光帆系统的硬点支架以于平时的训练任务中搭载光帆以节省燃料，或者作为出港时舰艇的加力器。

　　当然在战时作为加力器用途的光帆将会在以其增加到一定速度后抛弃。这类一次使用性的光帆可以做的厚一点，在推进时以高功率光束照射以在短时间内获得最大推力。当然这样很可能会烧毁光帆，不过既然是一次性使用这就不重要了。所以光帆算是太空战舰的副油箱，可以增加其巡航半径与巡航速度。就地球上的类比而言，光压推进系统相当类似于地球上的铁道系统或是海运系统。具有廉价大量运输的特性，但机动性与加速度（并非速度）远低于汽车与空运体系。另外光帆或是磁帆亦可做为太空船的减速系统，就是光压煞车或是磁压煞车。运用这两种系统来煞车可让太空船的巡航速度立即提升一倍以上。这在后文将会提及。

第七节太空航行原理与一些初步概念
　　所谓的航行不外乎是从一个地点移动到另一个地点。以太空航行而言，就是轨道转移的动作。从某个星球的轨道航行至另一个星球的轨道，或是从同一个星球的低轨道移动至较高的轨道，这种轨道转移的航行路径轨迹被称之为「转移轨道」。

　　转移轨道有无限多条，但消耗能量最低的只有一条，被称为「霍曼转移轨道」，乃是由霍曼首先计算出来。霍曼转移轨道是相切于两个出发点和目标轨道的椭圆轨道，并且是两个星球在「合点」的时候才会出现。行星间的重要关系位置有两种，其一称为「冲点」，亦即两个行星位于太阳的同侧，乃距离最近的地方。其二是两个行星分别位于太阳的反对侧，是二行星间距离最远的时候，这个位置关系称为「合点」。

　　基于星球运动与太空飞行原理，两个行星间航行消耗能量最低的是在距离最远的合点的时候，而非距离最近的冲点的时候，这是因为行星本身的运动速度与行星轨道上的恒星重力势能的影响。冲点虽然距离近，但由于飞行时必须先抵销行星的公转速度，因此消耗能量是最高的一种。

　　霍曼转移轨道飞行需要在行星相对位置达到合点的时候，但行星间并非天天都在合点，比如地球和火星的合与冲每两年两个月一次，所以我们说朝向火星的发射窗口开放周期为两年两个月一次。

　　霍曼转移轨道虽然是最节省能量的轨道（需要达到的速度最低），但并不是飞行时间最短的轨道。如果拥有足够强力的推进系统，则可以付出消耗更多的燃料为代价，走其它转移轨道更快的抵达目标，换句话说就是直接飞向目标。这种能力凭化学火箭是办不到的，必须要使用大推力与大功率的先进核裂变火箭（气态核）或是核聚变推进系统才行。

　　一般而言，是否值得消耗燃料进行快速航行端视需求而定。比如说海运的货物和空运的乘客显然是基于不同的需求，付出不同的成本来选择不同的运输方式。再者，在这些转移轨道中，会有几条自由返回轨道。所谓自由返回轨道便是在飞行中途发生事故必须放弃飞行时，能够返回出发点行星的轨道，这必须谨慎选择轨道与出发速度才行。如失败的阿波罗十三号便是走自由返回轨道才能在中途放弃任务后返回地球。除了这些轨道转移动作的注意事项外，其它的航行原理就较为简单了。

　　太空船航行的运动原理乃是基于惯性定律。在一开始就提过，太空中没有阻力（其实是有，不过低到可以忽略），因此任何火箭想要煞车则必须消耗携带的燃料逆向喷射来减低速度，而前文提及的火箭公式中的最终速度则是指引擎全开到燃料消耗完毕所能达到的速度。因此前面的标准太空船的最高速度指的全都是太空船进行单程任务，无法回航甚至无法减速的速度。如果想要煞车，则最高速度必须减半。

　　简单的来说，加速一个物体到某个速度与在将其速度减为零消耗的能量是相同的，只不过方向相反而已。换句话说这是一个矢量的概念。当然就火箭系统而言，由于燃料的消耗让总质量降低，因而使加减速时消耗的能量并不相同，但实际上，以同样的燃料想要减速停止，则速度仍然会降低成单程最高速度的一半。而这种程加减速的情形仅会出现在朝向一个目标港口航行的情况下，若是想要在出发后能减速停止并返回母港，则根据同样的原理，速度将会掉成原先的单程最高速度的四分之一。而这个速度就是实际上的实用最高速度，同时也是实用巡航速度。

　　当然如果能出发到另一个港口补充燃料，则可以用两倍的燃料让实用最高速度达到单程最高速度的二分之一。如果想自行携带全程燃料达到相同的速度，需要携带多少燃料？各位读者不妨自己运用火箭公式计算一下。在此我们将不考虑这种情形，而以单程最高速度的四分之一当成实用最高与巡航速度。

　　在太空中是无所谓省不省油的，你加到某个速度后关掉引擎，则太空船仍然会依惯性等速前进，因此其理论航程是无限的。但由于成员需要的消耗品如空气食物水等需要补给，因此太空船仍有一巡航时间，不考虑加速时间的话，这个时间乘上实用巡航速度便是该太空船的实用行动半径。简单来说，这跟核子动力船只与有点类似。

　　核子动力船舰的行动半径并非受限于燃料，而是受限于食物等补给品与成员的心里问题。另外若能用光帆或磁帆作减速需求，则可以减少甚至不需要考虑减速会消耗的燃料，如此一来同样燃料携带量的太空船便可以达到两倍的巡航速度。但先决是要朝向太阳或是光源站航行，且使用的光帆重量不可超出原先减速用燃料的重量。

　　基于相同的原理，太空船一般都会装备多具引擎。太空船的最终速度和引擎的推力与数量毫无关系，只和燃料有关。即使是仅装备一具低推力引擎，花费较长的时间去喷射燃料则仍然能达到相同的推进速度。以装备两具引擎的太空船而言，若其仅开启一具引擎则推力与加速度将降为一半，但燃料消耗速度也降为一半，因此加速时间为两具引擎的两倍。相乘之后所达成的最终速度是相同的，因此乍看之下似乎没有必要装备多具引擎。

　　但问题在于太空中毫无阻力，如果飞行途中发生引擎故障的事故导致丧失推力，则太空船将会持续永恒的飞行下去。想要拯救引擎故障的太空船是极端困难的，这与地球上的情形完全不同。在地球上若是航行器引擎故障，则航行器必定会因为空气或水的力而停止。若是乘客没有在迫降中伤亡，又不是迫降在恶劣地点如喜马拉雅山脉中的话，则至多在数天之内便会获得救援。但在太空中毫无阻力，丧失推力的太空船无法停止，又由于宇宙空间的巨大距离以及火箭系统的理论限制，因而会使拯救工作相当困难且耗费庞大。这是因为救难船必须以更高的速度，至少必须是两倍以上，才能够在第一艘太空船飞行时间两倍之内追上去拯救遇难船舰。太空船距离基地越远，救援来到的时间就会越迟，若太空船已飞行一个月而引擎故障，则两倍速度的救难船会在发出求救信号后一个月才能抵达。且救难船将消耗大于两倍的燃料。若是救难船增加速度欲更快抵达，则所消耗的燃料便会增加的更快，导致必须付出大量的燃料成本。

　　根据火箭公式，当太空船最终速度（单程）大于推进系统的喷气速度的时候，则任何微小速度的增加便会大幅增加质量比。当然在使用先进推进系统如核聚变推进系统之时，一般的民用太空船之飞行速度由于经济上的考量，将不太可能超过其喷气速度。但是军舰则由于需要追求速度，便有可能发生此种情形。特别是追求高速的轻型军舰有可能在引擎发生故障后无法救援回收。因此追求高速的轻型舰反而较可能装备多具引擎，以避免因为引擎故障而完全失去动力的情况。

　　附带一题的是，多引擎太空船的喷射口必须是成对对称于质心切线，一旦一具引擎故障或损坏，则必须同时关闭对称的另一具引擎。否则推力力矩将会造成太空船的旋转，欲使用姿态控制引擎修正此旋转力矩将会消耗大量燃料，是十分划不来的事。

　　另外，太空航行的基地与目标不外乎以下几个，环地球轨道，环月轨道，环火星轨道，两个拉格朗日点L4与L5，小型星外围某处，环木星轨道等。这是以太阳系中的重点为主。地球与月球不用说了，火星的地位也相当重要。月球基地或许会比火星较早建立，但人口成长较快，发展较快的将会是火星而非月球。因为火星具有大气，有较好的农耕与生活条件，加上距离主要矿场与工厂的小行星带较近，可以就近供应燃料，食物与水，因此其人口增加速度与移民速度将会较高。

　　小行星带除了是矿场地带之外，应该也是主要的浮游工厂位置。这是因为太空中原料运输成本（必须用太空船运输）远比能量运输（可用光束传输，甚至可能就地开采，即使用运输供给，氘与氦三等融合原料无论如何还是比金属轻很多）来的高，再加上一般而言产品的重量会比原料矿石低，虽然空间可能比较大，但是太空运输的问题在于质量而非空间，运输重量较低的产品可以减低成本，因此工厂应该会朝向原料产地集中。

　　而太空殖民地的原料则可能先在小行星的浮游工厂生产出半成品的各种模块，再拖运至拉格朗日点组装。至于货柜船，邮轮，运输舰，油轮甚至是战舰则可能直接在小行星带的浮游工厂建造，因为那里有所有需要的原料。浮游工厂可以在无重力高度真空的环境下，生产出地球上不可能生产的极优良的产品与材料。如果需要重力的话，则可由旋转的离心力造出人工重力。

　　例如一绕轴心旋转的扁圆型工厂，在圆周部份具有最大重力，旋转轴心部份则是零Ｇ，可依需要生产不同产品，甚至可将生产线串接起来，在不同的加工程序中可以运用最适当的重力要求环境。

　　环木星轨道上则应该是主要的太空船燃料产地，应有轨道浮游工厂抽取提炼融合原料，再者由于燃料丰富，此地也该是主要的外太阳系与其它恒星系的长程探测船的基地，同时会有很多科学家聚集在此进行研究。

　　L4与L5两个拉格朗日点的太空殖民地与太空城市则应该是太空航行的集散与转运中心，地位当如同今日的香港与新加坡，这两个地点的先占权争夺可能会引起相当的冲突。另外需要一提的是水星内侧的环太阳轨道将会有大规模的太阳能发电系统以及用以作光压推进的聚光站。能量将以微波的方式传送给地球，月球与太空殖民地。这些能量供应站应当具有相当高的自动化程度，仅需要最少人力便可操作。这个地区的能量站提供大量廉价的能源，具有重要的战略地位，但并非无可取代，至少受控核聚变发电便可以取代之，虽然必须付出较高的价格。

　　较重要的应该是往木星的航线，那应该是主要太空船燃料的供应地。不过即使这条航线中断，地球仍然可以由大海中提炼融合燃料重氢，月球也有相当大的氦三存量，而火星的氘蕴藏量则是地球的五倍。换句话说，往木星航线中断并非是致命性的，而仅只是稍微提高能源价格而已。真正具有无可取代的最重要战略地位的应该是原料产地与加工地的小行星带外围某处，这里的存废将会直接影响工业产品以及军事产品的质与量。另外地球本身，以及火星在粮食产量达到一个程度后基于粮食的需求应该也是战略要点。

　　再者，还有一个特殊的地方，在距离太阳约800AU的地方是太阳的重力焦点。自无限远方的宇宙来的平行光束经由太阳的重力偏转，将会聚焦在这个距离上。换句话说，在800AU的虚拟天球表面上等于有一个与太阳直径相同的超级口径的天文望远镜。这种分辨率足以使其能够详细观察数十亿到上百亿光年外的银河与宇宙边缘的细部结构，因此这里将是天文学家的天堂，不过这跟一般人的关系并不大就是了。

就一般而言，太阳系内的太空航行应该是这些点之间的联系，在太空开发初期，大多数的运输能量将被用于运载工作母机与能源，以能在太空建立初期生产能量，一旦生产能量建立，大规模行星间运输能量将会成指数成长。发展到极盛时期，真正的运输动脉应该是小行星带的工业产品运输通路，地球的粮食运输通路与月球，火星或木星的能源运输通路。就乘客运输而言，会采取高速取向，在能够接受的成本内尽量以最高的速度来运输乘客，即使用快速运输舰。而对于产品与原料的运输，则应当是采取能源节省取向，以大规模，低能源消耗与长时间的型态来运输，即重型货柜船。而能源（特别是火箭燃料）则以介于两者之间的速度来运输

[ 本帖最后由 fffxxx09 于 2012-2-20 00:10 编辑 ]

作者: cqdavid 时间: 2012-2-22 22:27

把这文章好好读一下，融汇贯通后，泡那些科学MM是足够了。哈哈。

作者: sezse2 时间: 2012-2-22 23:27

好长,没有看完,有些公式不明白!超级技术贴!

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