但仍有大量工作要做

無人機在飛行中

(圖片來源:蓋蒂圖片社)

日本的研究人員正在使用微波為無人機的自由飛行提供動力，這個項目可能會為一種新型火箭的研制鋪平道路。

目前，大多數(shù)火箭是通過控制固體或液體燃料源的爆炸來產(chǎn)生推力的，這種燃料源可占火箭總重量的90%。然而，發(fā)表在《航天器與火箭雜志》(Journal of Spacecraft and Rockets)上的一項新研究提出了使用一種替代燃料“微波”的潛力。

微波是一種電磁輻射。因此，它們充滿了可以轉(zhuǎn)化為電能的能量，就像太陽能電池板可以將陽光轉(zhuǎn)化為電能一樣。在這項新研究中，研究人員通過直接向自由飛行的無人機發(fā)射微波來發(fā)電，為它們提供燃料。

“在無人機實驗中，微波能量從地面天線發(fā)送到無人機上的天線。整流器用于將射頻轉(zhuǎn)換為直流，直流電源用于驅(qū)動無人機的電機。我們稱之為“整流天線”(整流器+天線)，”這項新研究的作者之一、筑波大學(xué)的島村航平在一封電子郵件中告訴Space。

無人機實驗搭建

無人機實驗的設(shè)置，包括了微波發(fā)射天線和自由飛行的無人機。(圖片來源:島村浩平)

以往研究微波推進時使用的是低頻波，但研究小組發(fā)現(xiàn)當頻率提高時，功率傳輸?shù)男室矔岣?。考慮到這一點，研究小組使用高頻率(28ghz)將一架0.9磅(0.4公斤)的無人機吊離了地面。

在微波波束的正上方，發(fā)射的能量使無人機能夠在30秒內(nèi)達到約2.6英尺(0.8米)的高度。島村在一份聲明中說:“我們使用了一個復(fù)雜的光束跟蹤系統(tǒng)，來確保無人機接收到盡可能多的微波功率。”

在實驗中，發(fā)射的微波被無人機捕獲的有30%，其中有40%被轉(zhuǎn)換為電力來推進。

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島村說:“這些結(jié)果表明，我們需要做更多的工作來提高傳送效率，并嚴格評估這種推進方法在飛機、航天器和火箭上的可行性。”“未來的研究還應(yīng)該致力于改進波束跟蹤系統(tǒng)和增加超出我們實驗證明的傳輸距離?！?/p>

盡管這項新研究展示了微波推進的潛力，但這項技術(shù)在很大程度上仍處于起步階段，尤其是考慮到它在火箭飛行方面的潛在用途時。

“我們最大的挑戰(zhàn)是讓微波跟蹤火箭，并且直到它到達100公里(約62英里)的高度。為了實現(xiàn)這一點，需要對推力器和微波的相位進行高精度的控制。此外，用高功率校準多個微波源的相位也是未來的一個挑戰(zhàn)，”島村通過電子郵件告訴Space?！俺杀臼且粋€主要問題，也是一個技術(shù)挑戰(zhàn)。建造一個幾兆瓦的大功率源相當于建造一個核聚變發(fā)電廠，并且目前發(fā)射火箭的成本非常高?！?/p>

火箭(源自意大利語:rocchetto，點燃的，'bobbin/spool')[nb 1][1]是一種從火箭發(fā)動機獲得推力的宇宙飛船、飛機、交通工具或發(fā)射體?；鸺l(fā)動機排氣完全是由火箭內(nèi)所攜帶的推進燃料完成的?；鸺l(fā)動機的工作原理是作用與反作用，通過高速的向相反方向排出廢氣來推動火箭前進，因此其可以在真空中工作。

事實上，火箭在太空真空中比在大氣層中工作效率更高。多級火箭能夠達到脫離地球的速度，并且可以達到無限高的最大高度。與吸氣式發(fā)動機相比，火箭的重量輕、功率大，能夠產(chǎn)生較大的加速度?；鸺揽繘_力、翼型、輔助反應(yīng)發(fā)動機、萬向節(jié)推力、動量輪、排氣偏轉(zhuǎn)、推進劑流動、旋轉(zhuǎn)或地心引力來控制飛行。

用于軍事和娛樂的火箭至少可以追溯到13世紀的中國。直到20世紀，重大的科學(xué)、星際和工業(yè)應(yīng)用才出現(xiàn)，當時火箭技術(shù)包括登上月球，是太空時代的推動技術(shù)?；鸺F(xiàn)在被用于煙花、導(dǎo)彈和其他武器，彈射座椅、人造衛(wèi)星發(fā)射工具、載人航天和太空探索。

化學(xué)火箭是最常見的高功率火箭，通常用燃料與氧化劑的燃燒產(chǎn)生高速氣體。存儲的燃料可以是簡單的加壓氣體或單一液體燃料,在催化劑的作用下水解(單元燃料),兩種自發(fā)反應(yīng)的液體接觸(自燃推進劑),這是兩種液體必須點燃的反應(yīng)(如煤油(RP1)和液態(tài)氧,在大多數(shù)液體推進劑火箭使用),燃料與氧化劑的固體組合(固體燃料)，或固體燃料與液體或氣體氧化劑(混合推進劑系統(tǒng))。化學(xué)火箭以一種容易釋放的形式儲存了大量能量，這非常危險。不過，仔細的設(shè)計、測試、施工和使用可以將風險降到最低。

BY: Scott Dutfield

FY: 尹怡婷

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