[科普中国]-太阳能火箭发动机

研发历程

太阳能是没有污染而又取之不尽的极大的能源。早在1954年，于印度的新德里，由与会各国科学家建议成立了国际性的组织——应用太阳能协会(ISES)。80年代很多科学家曾预言，作为常规能源的化学燃料的原料贮量，最多还能维持使用一个世纪。核燃料不仅存在大量的技术问题，而且也污染环境。所以，利用太阳能是很有必要的。这对于人类开发宇宙，包括宇宙航行和推进也不例外。在许多领域内利用太阳能作为能源，在21世纪将从研究阶段进入实用阶段。

利用太阳辐射的能量加热工质，再使其从喷管以高速喷出而产生推力的发动机就是太阳能火箭发动机。将太阳的辐射能量由大型的抛物面的反射器收集，反射器的镜面可绕轴转动以采集阳光。并将其聚焦到热交换器系统。由类似液体火箭发动机挤压式供应系统的氩供应系统，将氩输入到热交换器中而被加热，高温的工质氩经喷管以高速喷出而产生推力。

由于上述方案中，需要有一个加热工质的热能转换装置——热交换器系统，其效率不高。最近有一种新的方案是转动粒子床式太阳能火箭发动机。它利用转动的离心力使石墨粒子附着于转动床的内壁，粒子受到聚焦的太阳能加热而升温，再经喷管以高速喷出而产生推力。由于石墨的升华温度可高达3773K，而且其导热率相当高，所以换热效率也相当高。另外，还可以在这些石墨粒子流中加入碱金属微粒，以扩宽对太阳能的吸收光谱带。

太阳能火箭发动机性能提高的主要途径是如何使太阳能辐射直接射到工质上，取消太阳能转换为工质热能的中间环节。

大家知道，地球距恒星际天体的距离是以光年计算的。为了实现能往返距地球遥远的这些天体的恒星际航行，就需要有光子火箭发动机作为飞行器的推进装置，这是能使工质以光的速度从发动机喷出的一种火箭发动机。早在1953年就有人提出了光子火箭的设想，根据著名科学家爱因斯坦的质量与能量的公式，可利用物质与反物质的相互作用，质量全部湮灭而转化为光能。质子和反质子在火箭发动机中进行反应产生光子流，以光的速度喷出推动火箭飞行。但是反物质的产生、使用和贮存、火箭发动机的设计和控制等许多科技方面的难题有待解决。2

能源太阳能火箭发动机利用太阳能为能源，包括太阳热发动机和太阳帆等。

太阳热发动机太阳热发动机的工作原理是借助光学系统把太阳辐射能集中起来，用于加热工质，工质为液氢，用挤压式或泵式系统将工质输送给加热器，被加热后的工质进入推力室，由喷管排出产生推力，该发动机由光学采集系统、火箭发动机以及工质贮存和供应系统组成，光学采集系统中的反射器即一面或两面大型抛物面形镜面可以绕自身轴线转动来采集阳光，从而不受发动机方向的限制，镜面收集的太阳能聚焦到热交换系统，对工质加热；发动机系统基本上是一种热能转换装置，着眼点在于迅速地使工质加热，减少系统的热损失。这种发动机的排气速度可达(8～12)×103m/s，甚至达1．5×104m/s，但随着与太阳间距离的增加，其效率迅速下降。

转动粒子床式太阳能火箭发动机是一种较新的太阳热发动机方案。装有石墨微粒的转动床，在受到离心力作用下，使石墨微粒附着在转动床内壁，粒子受到聚焦的太阳能加热达到高温，并迅速将热量传给工质。更为先进的是使聚焦的太阳能直接作用在工质上，省去中间的换热及其他环节的许多设备。

太阳能火箭发动机具有比较简单、工作可靠和对飞行器不产生污染的优点，而且这种发动机有较高的比重和结构质量显著减轻。但是，太阳热发动机为固定的吸热器式，热能损失较严重，效率不高。由于石墨的升华温度很高，导热率较高，所以转动粒子式太阳能火箭发动机的换热效率提高，太阳能直接加热工质的方案由于取消了转换太阳能的中间材料，所以不存在材料使用温度的限制问题，但目前这两种方案仍然处于设想阶段，到付诸实际使用还有很长的一段距离。3

太阳帆太阳光辐射是电磁辐射，对被照射的物体表面会产生压力。可设想利用光压产生小推力，在外层空间放一张张开的、又薄又大的塑料布，表面涂一层极好的反射物质，这就是太阳帆。

预计太阳帆能够提供的加速度为10-5g-10-3g，用来作为从地面发射的动力是不可能的，只能在没有引力影响的空间加以利用。前面已经分析过临近空间的地球引力场特征，因此将太阳帆用作l临近空间飞行器的动力是不可能的。3

优点这种发动机直接利用太阳辐射能，与电火箭发动机相比，省略了太阳能的多次变换，能源利用效率很高。推力可以做到 10 N数量级，比冲为9000～ 10000 N S/kg。它没有核火箭发动机的核污染问题。适用于大中型航天器的轨道运输和星际航行。1