太陽能火箭發動機

太陽能是沒有污染而又取之不盡的極大的能源。早在1954年，於印度的新德里，由與會各國科學家建議成立了國際性的組織——應用太陽能協會(ISES)。80年代很多科學家曾預言，作為常規能源的化學燃料的原料貯量，最多還能維持使用一個世紀。核燃料不僅存在大量的技術問題，而且也污染環境。所以，利用太陽能是很有必要的。這對於人類開發宇宙，包括宇宙航行和推進也不例外。在許多領域內利用太陽能作為能源，在21世紀將從研究階段進入實用階段。

利用太陽輻射的能量加熱工質，再使其從噴管以高速噴出而產生推力的發動機就是太陽能火箭發動機。將太陽的輻射能量由大型的拋物面的反射器收集，反射器的鏡面可繞軸轉動以採集陽光。並將其聚焦到熱交換器系統。由類似液體火箭發動機擠壓式供應系統的氬供應系統，將氬輸入到熱交換器中而被加熱，高温的工質氬經噴管以高速噴出而產生推力。

由於上述方案中，需要有一個加熱工質的熱能轉換裝置——熱交換器系統，其效率不高。最近有一種新的方案是轉動粒子牀式太陽能火箭發動機。它利用轉動的離心力使石墨粒子附着於轉動牀的內壁，粒子受到聚焦的太陽能加熱而升温，再經噴管以高速噴出而產生推力。由於石墨的昇華温度可高達3773K，而且其導熱率相當高，所以換熱效率也相當高。另外，還可以在這些石墨粒子流中加入鹼金屬微粒，以擴寬對太陽能的吸收光譜帶。

太陽能火箭發動機性能提高的主要途徑是如何使太陽能輻射直接射到工質上，取消太陽能轉換為工質熱能的中間環節。

大家知道，地球距恆星際天體的距離是以光年計算的。為了實現能往返距地球遙遠的這些天體的恆星際航行，就需要有光子火箭發動機作為飛行器的推進裝置，這是能使工質以光的速度從發動機噴出的一種火箭發動機。早在1953年就有人提出了光子火箭的設想，根據著名科學家愛因斯坦的質量與能量的公式，可利用物質與反物質的相互作用，質量全部湮滅而轉化為光能。質子和反質子在火箭發動機中進行反應產生光子流，以光的速度噴出推動火箭飛行。但是反物質的產生、使用和貯存、火箭發動機的設計和控制等許多科技方面的難題有待解決。 ^[2] 

太陽能火箭發動機利用太陽能為能源，包括太陽熱發動機和太陽帆等。

太陽熱發動機的工作原理是藉助光學系統把太陽輻射能集中起來，用於加熱工質，工質為液氫，用擠壓式或泵式系統將工質輸送給加熱器，被加熱後的工質進入推力室，由噴管排出產生推力，該發動機由光學採集系統、火箭發動機以及工質貯存和供應系統組成，光學採集系統中的反射器即一面或兩面大型拋物面形鏡面可以繞自身軸線轉動來採集陽光，從而不受發動機方向的限制，鏡面收集的太陽能聚焦到熱交換系統，對工質加熱；發動機系統基本上是一種熱能轉換裝置，着眼點在於迅速地使工質加熱，減少系統的熱損失。這種發動機的排氣速度可達(8～12)×10³m/s，甚至達1．5×10⁴m/s，但隨着與太陽間距離的增加，其效率迅速下降。

轉動粒子牀式太陽能火箭發動機是一種較新的太陽熱發動機方案。裝有石墨微粒的轉動牀，在受到離心力作用下，使石墨微粒附着在轉動牀內壁，粒子受到聚焦的太陽能加熱達到高温，並迅速將熱量傳給工質。更為先進的是使聚焦的太陽能直接作用在工質上，省去中間的換熱及其他環節的許多設備。

太陽能火箭發動機具有比較簡單、工作可靠和對飛行器不產生污染的優點，而且這種發動機有較高的比重和結構質量顯著減輕。但是，太陽熱發動機為固定的吸熱器式，熱能損失較嚴重，效率不高。由於石墨的昇華温度很高，導熱率較高，所以轉動粒子式太陽能火箭發動機的換熱效率提高，太陽能直接加熱工質的方案由於取消了轉換太陽能的中間材料，所以不存在材料使用温度的限制問題，但這兩種方案仍然處於設想階段，到付諸實際使用還有很長的一段距離。 ^[3] 

太陽光輻射是電磁輻射，對被照射的物體表面會產生壓力。可設想利用光壓產生小推力，在外層空間放一張張開的、又薄又大的塑料布，表面塗一層極好的反射物質，這就是太陽帆。

預計太陽帆能夠提供的加速度為10^-5g-10^-3g，用來作為從地面發射的動力是不可能的，只能在沒有引力影響的空間加以利用。前面已經分析過臨近空間的地球引力場特徵，因此將太陽帆用作l臨近空間飛行器的動力是不可能的。 ^[3] 

這種發動機直接利用太陽輻射能，與電火箭發動機相比，省略了太陽能的多次變換，能源利用效率很高。推力可以做到 10 N數量級，比衝為9000～ 10000 N S/kg。它沒有核火箭發動機的核污染問題。適用於大中型航天器的軌道運輸和星際航行。 ^[1]