Wednesday, April 15, 2009

電漿火箭發射!

‧科學人 2009/04/08
就讓高效率的電漿引擎把新一代太空船推往太陽系之外吧!2007年9月發射升空的曙光號,此趟飛行值得注意的不僅是它的任務目標,還有它採用了在長途太空任務中越來越重要的動力來源──電漿火箭。


【撰文/喬艾里(Edgar Y. Choueiri);翻譯/甘錫安】

(照片提供/科學人)


重點提要

■傳統火箭藉由燃燒化學燃料產生推力,電漿火箭則是在一群帶電荷的粒子(也就是電漿)上施加電場或電磁場,用以推進太空船。

■儘管電漿火箭產生的推力比化學火箭小得多,但是它能使用同量的燃料讓太空船達到更快的速度。

■電漿火箭的高速特性和推進劑使用效率,使它在深太空任務方面顯得格外有價值。


在黑暗的宇宙中,美國航太總署(NASA)的「曙光號」太空探測船飛出火星軌道之外,朝小行星帶前進。為了深入探究太陽系的誕生,這艘無人太空船正要前去研究「灶神星」和「穀神星」,這兩枚小行星是45億7000萬年前原始行星不斷碰撞合併、形成現今各行星後,所殘餘的最大兩塊天體。


但2007年9月發射升空的曙光號,此趟飛行值得注意的不僅是它的任務目標,還有它採用了在長途太空任務中越來越重要的動力來源──電漿火箭。有別於傳統火箭是以燃燒液體或固體化學燃料來提供動力,目前已發展出數種先進形式的電漿火箭,提供推力的方式是以電力產生並控制離子化氣體推進劑,。


曙光號任務設計人員採用電漿火箭,是因為它的效率相當高,到達小行星帶所需的燃料僅為化學火箭的1/10。如果計畫人員採用化學火箭,太空船就只能飛到灶神星或穀神星其中之一,而不能兩者都去。


的確,電漿火箭(又稱為電能火箭)很快就成為長程太空船的最佳動力選擇。電漿推進技術最近一次的成功案例為NASA「深太空一號」的彗星之旅,這趟飛行是太空船完成主要任務之後,利用剩餘燃料進行的額外旅程。另外,曾經嘗試登陸小行星的日本探測船「獵鷹號」(Hayabusa),以及歐洲太空總署用來造訪月球的「聰明一號」太空船,也都是以電漿火箭做為動力來源。由於電漿推進技術展現了許多優點,美國、歐洲和日本的深太空任務規劃人員都打算在未來的太空任務中採用,以便探索外行星、尋找太陽系外的類地行星,並且以遼闊的太空當做實驗室,研究基礎物理學。


電漿火箭的誕生

電漿火箭雖然最近才成為長程太空船的一員,但是這類技術早已針對太空任務發展了一段時間,而且也已經運用在一些太空工作中了。


早在20世紀初,火箭研發者就構思過以電能推動太空船。但直到1950年代中期才由火箭科學家史圖林格(Ernst Stuhlinger)將這個概念化為實用技術。史圖林格是由馮布朗領軍的德國火箭科學家團隊的成員,他們後來轉為美國工作,替美國的太空計畫奠定了基礎。數年後,NASA路易斯研究中心(已改名為葛蘭研究中心)建造了史上第一具實際運作的電漿火箭。這具引擎於1964年裝置在「太空電漿火箭測試一號」上進行了次軌道飛行,運作了半個小時之後,這艘太空船就落回地球。


在此同時,前蘇聯研究人員也在研究電漿火箭的概念。任務規劃人員從1970年代開始選用這種技術,是因為它可節省推進燃料,同時維持電訊衛星的高度與在地球同步軌道中的位置。


想像與實際大不相同

跟傳統火箭的缺點相比,電漿火箭具備的優點更顯得突出。一般人想到一艘太空船飛越無垠黑暗,朝遙遠的天體前進時,大多會想像火箭尾部噴嘴噴出長長的火焰,但是實際狀況完全不是這樣。外太陽系探索任務中,絕大部份時間火箭是缺席的,因為通常幾乎所有的燃料都會在最初幾分鐘內燒完,推動太空船以滑行方式完成剩下的路程,到達目標。的確,化學火箭能推送各種太空船升空,也能在中途進行修正,但實際上它卻不能用於深太空探索任務,因為這類火箭需要大量燃料,多到沒辦法送上軌道,成本上也不划算——將一公斤的物體送上地球軌道的花費就超過兩萬美元。


為了在不需額外燃料的狀況下進行長程高精準度飛行,以往許多深太空探測船必須耗費許多時間(通常為時數年)繞經行星或衛星,利用這些天體的重力使其朝預定方向加速(這種彈射動作稱為重力協航),以便達到所需的軌道及足夠的速度。這樣迂迴的飛行路線大幅限制了升空時間,太空船必須在特定的一小段時間內發射,才能確保可以精確繞經提供重力輔助推進的天體。


更糟的是,朝目標前進數年後,使用化學火箭推進器的太空船通常已沒有燃料可供煞車之用,而必須點燃火箭降低速度,以便進入環繞目標天體的軌道,執行進一步的科學觀察,如果無法煞車,太空船就只能掠過目標天體。的確如此,2006年發射升空的NASA「新視野號」深太空探測船歷經九年多的飛行後,就跟主要的研究對象,也就是剛降級為矮行星的冥王星,交會時間只有不到一個地球日。


火箭方程式

如果有讀者質疑為什麼沒辦法將足夠的化學燃料送上太空,以解決長程任務的難題,首先我們必須了解工程師所面臨的龐大阻礙。任務規劃人員使用所謂的「火箭方程式」計算任務所需的推進劑質量,這個基本方程式是由火箭技術與太空飛行先驅俄羅斯科學家齊奧爾科夫斯基(Konstantin E. Tsiolkovsky)於1903年首先提出。


簡單來講,火箭方程式描述的事實相當顯而易見:從太空船拋出的推進劑速度越快,用以執行火箭動作所需的燃料越少。假設有一位棒球投手(火箭發動機)帶著一籃棒球(推進劑)站在滑板上(太空船)。投手向後投球的速度越快(也就是噴氣速度越高),到最後一個球投出時,滑板朝反方向行進的速度也越快。或者反過來說,在任何時間要將滑板的速度提升一定幅度,投球速度越快,所需的棒球越少(推進劑越少)。科學家將滑板速度的提升幅度稱為Δv。


較精確地說,這個方程式指出了發射火箭到外太空執行特定任務所需的推進劑質量與兩個重要速度有關:其一是噴氣由火箭噴出的速度,其二是該任務所需的Δv,也就是噴氣可為太空船提升多少速度。Δv相當於太空船改變其慣性運動及執行所需的太空動作必須耗費的能量。針對已知的火箭技術(也就是產生已知火箭噴氣速率的技術),我們可將執行某項任務所需的Δv,透過火箭方程式換算出所需的推進劑質量。因此Δv可以視為任務的「價格標籤」,因為執行任務的成本通常受制於發射升空所需的推進劑成本。


傳統化學火箭可提供的噴氣速度不快(每秒3~4公里),單單這個特性,就使化學火箭技術使用起來問題重重。另外,火箭方程式的指數特性會使太空船初始質量中的燃料部份,也就是「推進劑質量部份」,隨Δv呈指數增加。因此,執行深太空任務所需的高Δv要耗費的燃料可能佔去太空船絕大部份的初始質量,而載運其他東西的容量則變得相當有限。


我們來看看兩個例子:要從近地軌道前往火星,所需的Δv約為每秒4.5公里。依據火箭方程式,要進行這樣的行星際飛行,傳統化學火箭所需的燃料將佔去2/3以上的太空船質量。如果是企圖心更大的任務,例如Δv高達每秒35~70公里的外行星探索,化學火箭的燃料比必須超過99.98%,太空船將因此沒有空間裝配其他設備或負載任何東西和太空人。太空船如果要進一步深入太陽系,化學火箭更加無法使用,除非工程師能想出大幅提高噴氣速率的辦法。


目前已經確定這個目標難以達成,因為要產生超高噴氣速率,必須達到極高的燃料燃燒溫度,但這又受限於兩個因素,第一是已知化學反應的能量釋放量,第二是火箭外壁的熔點。


【欲閱讀完整的豐富內容,請參閱科學人2009年第86期4月號】

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