严格限制。
目前所有的现代航天器都遵循这一定律:通过排出推进剂来提供 “反冲质量”—— 物质以高速从航天器尾部喷出,从而推动航天器向相反方向运动。这些喷出的粒子具有特定的质量和速度,质量与速度的乘积即为动量 —— 根据动量守恒定律,航天器会获得等量的反向动量。
这一过程意味着航天器必须携带大量推进剂,而每增加一份推进剂,又需要额外的推进剂来推动它 —— 这就是我们常说的 “火箭方程的暴政”。
在非真空环境(如大气层)中,我们可以通过 “借力”这一限制:
然而,在真空中,这些 “借力” 方式都不可行。即使是依靠外部光子或物质反射获得推力的航天器(如激光帆),虽然规避了火箭方程的限制,但本质上仍在利用外部物质作为 “反冲质量”—— 这与我们蹬地行走、飞机吸入空气的原理类似。
因此,真正的 “无反冲推进器”—— 即不依赖任何反冲质量(无论是携带的还是外部的)就能产生推力的设备 —— 通常被归类为克拉克科技。
在航天器推进的相关设想中,可能被归为无反冲推进器的包括阿尔库比勒曲速推进器、直径推进器、电磁推进器、燃料推进(此处原文表述可能存在误差,结合上下文应为 “基于燃料的特殊推进方式”)、引力偶极子推进器等。
加粗 - 电阻加热喷气发动机
电阻加热喷气发动机是电动推进的一种实例,其工作原理如下:
1 电源提供电能,电流通过电阻产生热量,使电阻丝达到白炽状态(与传统白炽灯泡的灯丝发热原理相同);
2 白炽的电阻丝加热一种惰性物质,该物质受热后成为火箭推进剂;
3 受热后的推进剂以高速从发动机尾部喷出,产生推力。
电阻加热喷气发动机已在卫星上应用数十年,其主要优势在于:
因此,它非常适合用于航天器的小幅轨道修正和长期运行(可在数年时间内持续工作)。
此外,电阻加热喷气发动机还可与放射性同位素热电发生器(rtg)或太阳能电池板等电源配合使用。
需要注意的是,与同类的电弧喷射火箭和微波电热推进器相比,电阻加热喷气发动机的效率较低。
加粗 - 可重复使用火箭
尽管关于火箭技术的许多讨论都集中在研发具有更高排气速度的优质燃料或更先进的推进系统上,但在当前及过去的很长一段时间里,现代火箭和太空发射的成本主要并非来自燃料,而是来自火箭箭体本身。
火箭箭体需要经过精密制造,具备极高的强度,以承受发射过程中巨大的力、压力、振动和高温。因此,降低太空旅行成本的一个主要思路是: