高達(dá)00 1-4-0 航空航天發(fā)動機(jī)
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? ? ? ?現(xiàn)目前絕大多數(shù)的航空航天用推進(jìn)發(fā)動機(jī)都屬于工質(zhì)型發(fā)動機(jī),工質(zhì)型發(fā)動機(jī)雖然多種多樣,但在推進(jìn)原理上都基于最基礎(chǔ)的動量守恒定律,具體地說,是其中的反沖。
? ? ? ?所謂反沖,簡單地講,對于一個(gè)整體質(zhì)量為m的系統(tǒng),在不受或者幾乎不受其它力的環(huán)境中(如宇宙空間中),當(dāng)將其中的一部分m2以v2的速度向后拋出時(shí),剩余的部分m1就會獲得向前的速度v1。當(dāng)m1一定時(shí),m2越大或v2越大,v1也就越大。對于航天器,工質(zhì)指的就是m2。
? ? ? ?現(xiàn)有的航天器用的工質(zhì)型發(fā)動機(jī)一般分為化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)、核火箭發(fā)動機(jī)和電火箭發(fā)動機(jī)。
? ? ? ?化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)是現(xiàn)今最常見的火箭發(fā)動機(jī),將推進(jìn)劑在腔室中燃燒,形成高溫高壓氣流,向后噴射產(chǎn)生推力。推進(jìn)劑包含燃料和氧化劑,既是推進(jìn)的能源供給又是推進(jìn)工質(zhì)。類似的,飛機(jī)等航空器所使用的化學(xué)噴氣式發(fā)動機(jī)也類似,不過并不會攜帶氧化劑,而是直接采用大氣中的氧氣作為氧化劑。

? ? ? ?核火箭發(fā)動機(jī)曾是冷戰(zhàn)時(shí)期美蘇兩國重點(diǎn)研究的推進(jìn)方式,其由核反應(yīng)供給能源,采用液氫作為冷卻劑,液氫被加熱到幾千攝氏度后高速噴出,可以獲得極大的推力。這類發(fā)動機(jī)的推力大、壽命長,但技術(shù)復(fù)雜,一般用于長期工作的航天器。

? ? ? ?電火箭發(fā)動機(jī)是利用電能來加速工質(zhì)形成高速射流從而提供推力的,可以分為電熱、靜電、電磁三種。電熱型與化學(xué)發(fā)動機(jī)、核發(fā)動機(jī)類似;靜電型是將工質(zhì)電離成離子態(tài),再通過靜電場對其進(jìn)行加速形成高速射流產(chǎn)生推力;電磁型又名等離子體噴氣式發(fā)動機(jī),是將工質(zhì)加熱為等離子體態(tài),在電磁場的洛倫茲力作用下加速成高速射流產(chǎn)生推力。相比起現(xiàn)今最常見的化學(xué)火箭發(fā)動機(jī),等離子體噴氣式發(fā)動機(jī)不必受燃料能量密度的限制,控制上也更為便捷和精準(zhǔn),能耗更少。不過早期的儲電技術(shù)并不發(fā)達(dá),因此迄今為止最常用的還是化學(xué)火箭發(fā)動機(jī),但人們對等離子體噴氣式發(fā)動機(jī)在未來取代化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)寄予了厚望。

? ? ? ?工質(zhì)型發(fā)動機(jī)由于在工作過程中需要不斷消耗工質(zhì),因此事實(shí)上只能用于大氣層內(nèi)和太陽系系內(nèi)宇宙空間的短程航行。對于真正意義上的宇宙航行,人類文明未來必須依靠無工質(zhì)型發(fā)動機(jī)才能完成?,F(xiàn)有的對于無工質(zhì)型發(fā)動機(jī)的構(gòu)思和前瞻性研究主要有以下幾種:
? ? ? ?主動型光子推進(jìn):光子火箭發(fā)動機(jī),通過電磁輻射發(fā)射出定向的光子,通過光子的光壓從而為航天器提供推動力。這是科幻作品中常見的一類發(fā)動機(jī),如GN Drive。這類發(fā)動機(jī)理論上可以達(dá)到非常高的推進(jìn)速度,甚至是亞光速,但與之相對于的,用于推進(jìn)的能量消耗也是極為驚人的,且為了獲得足夠的光壓,需要將發(fā)光體加熱到數(shù)萬數(shù)十萬度的高溫,無論是能源供給還是高溫技術(shù),對目前的人類來說都是遙不可及的設(shè)想。
? ? ? ?被動型光子推進(jìn):俗稱太陽帆,是利用航天器的帆片接收恒星發(fā)射出的光,光子對帆片產(chǎn)生光壓,從而推動航天器運(yùn)動。如觀星者高達(dá)GSX-401 FW所搭載的光輝傳遞者即是一種太陽帆裝置。這類推進(jìn)方式的推力小,加速慢,但勝在可以持續(xù)不斷地加速,且加速不需要航天器提供能源動力,且所需要的科學(xué)水平低,即使是20世紀(jì)末的科技水平也可以進(jìn)行開發(fā),同時(shí)這也是人類迄今為止唯一能掌握的星系間航行手段。

? ? ? ?微波式推進(jìn)引擎:這是21世紀(jì)新提出的一種發(fā)動機(jī)構(gòu)思,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),能夠成功產(chǎn)生微小的推力。但后續(xù)的研究表面,其原理本質(zhì)是其電路切割地球磁感線從而產(chǎn)生了推力,而地球的磁場顯然覆蓋不了廣袤的系內(nèi)宇宙空間,這項(xiàng)構(gòu)思可以說是宣告失敗了。
? ? ? ?在工質(zhì)型和無工質(zhì)型發(fā)動機(jī)之外,還有過偽無工質(zhì)型發(fā)動機(jī)的構(gòu)思,如質(zhì)子型核聚變發(fā)動機(jī),其是利用收集裝置在航行過程中收集宇宙空間內(nèi)彌散的稀薄的氫,將其作為核聚變的原料和推進(jìn)工質(zhì),而且航速越高收集速度越快。相比傳統(tǒng)的工質(zhì)型發(fā)動機(jī),這樣的發(fā)動機(jī)只需要攜帶少量的工質(zhì)即可完成長距離的航行,也被看作是未來星際航行推進(jìn)型式的希望之一。
? ? ? ?至于更高層次的曲率引擎乃至蟲洞技術(shù),目前來說也只存在理論上的可能性,還有待于后人的研究。

