登陆火星飞船“推进系统”的遴选及其物理学性能

宋知沆刘玉颖（中国农业大学工学院农业工程系，北京 00083；中国农业大学理学院应用物理系，北京 00083）



登陆火星飞船“推进系统”的遴选及其物理学性能

宋知沆1刘玉颖2
（1中国农业大学工学院农业工程系，北京 100083；2中国农业大学理学院应用物理系，北京 100083）

摘 要以美国为首的火星登陆计划正受到越来越多的关注．“火星之旅”中关键环节是顺利将人类送抵火星．对于火星探测载人飞船，整个飞行过程中需要突破的关键性技术之一是飞船推进系统．文章介绍几种目前在此项目中被广泛接受的飞船推进系统，从物理学原理角度分析飞船推进过程中轨道选择等问题，对几种飞船推进系统及其物理学参数进行了全面的比较和分析，以及飞船推进系统的最佳选择等，以飨读者．

关键词火星登陆；推进器；可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）；核动力；无工质微波推力器

“火星登陆”计划影响到天文学、物理学等众多学科的发展，甚至关乎人类的长久生存及文明的延续，“火星之旅”的关键环节是将人类顺利送抵火星．为了提高效率、降低事故发生的可能性，NASA（National Aeronautics and Space Administration）等机构一直仔细审视着此项计划中的每一细节．载人飞船上的推进系统需要经过精挑细选和精心调试，保证能在最大效率下以最快最安全的方式完成任务．

1 飞船推进系统的选择

对于火星探测载人飞船，整个飞行过程中需要关键性技术突破的有两部分：飞船推进系统和自主导航系统．本文只讨论飞船推进过程中的细节．

1．1 发射时机与轨道选择相关问题

大众对登陆火星的理解停留在“我们只需要向数亿千米外的火星发射一支火箭即可，只要技术成熟了，随时都可以出发”的状态．事实上，火星和地球到达某一相对位置时才能发射火箭，要保证运载火箭在太空中航行距离最短、使用燃料最少．航行距离每增加一点，就意味着火箭要携带更多的燃料和供给宇航员生活的物资，飞行距离与飞行时间成正相关关系，距离增大意味着飞船、宇航员会更长时间地暴露在高能、危险、未知的宇宙射线之下，发生意外事故的可能性大大增加，威胁到宇航员的生命安全．

基于上述原因，飞船发射时机、发射窗口的选择尤为重要．目前公认的“最佳航道”是奥地利科学家霍曼于1925年提出的一条既与地球轨道外切又与火星轨道内切的“霍曼轨道”（见图1）．该轨道以太阳为一个焦点，近日点和远日点分别位于地球轨道和火星轨道上，轨道的长轴等于地球轨道半径与火星轨道半径之和．地球与火星距离最近的时刻为太阳、地球、火星三者一线，称为“相冲”，每两次相冲的时间间隔叫会合周期，约为780天［1］．每一个会合周期内，只有一次机会按照“霍曼轨道”发射火箭，由于飞行器速度的限制，当飞船航行到火星附近时，火星与地球之间已经发生较大的相对位移，所以轨道允许进行小幅度的调整，发射时机需有一个确定的时间范围，若错过了这个发射时间范围，只能等待下一个会合周期．

图1　霍曼轨道

1．2 对候选推进器的要求

发射窗口和轨道确定后，进一步分析飞船所需的推进器．以经典“霍曼轨道”为例，它形似一个巨大的椭圆，火箭发射时，要克服地球引力并在短时间内达到至少第二宇宙速度，火箭上需要推力较大的液态燃料，并采用多级火箭推进技术及时将火箭空壳弃置太空．“霍曼轨道”除两端之外，中间部分的航道曲率很小，但又并非直线，航天器需要推力不必太大但必须能够在一定范围内对推进功率进行调整的推进器，用来对航行轨道进行精确微调；同时，要尽量加快飞行速度，它的最大推力和功率不能过小；极有可能的候选者是现代新兴的电推进技术．在靠近火星时需要及时减速并调整轨道来准确捕获火星或其卫星，此时大功率推进器会派上用场，候选者中会包含较为节约燃料并有可能在火星上继续生产燃料的核动力推进器，还要根据后续的具体性能与参数分析来判断其是否为最佳选择．

综上，航行过程中所需要解决的轨道规划与发射窗口问题已经基本明确，对飞船推进系统的要求也有了定性的认识：即飞船推进系统具有动力持久、推力可控且足够大、燃料获取方便、质量尽量小且比冲（Specific impulse）尽量大等特点．下文根据实际情况分析各种推进系统的物理性能并进行综合对比．

2 具有潜力的推进系统候选者

2．1 液态／固态燃料化学火箭

液态／固态燃料化学火箭，是目前世界各国在火箭发射过程中别无他选的推进器，也是目前核动力火箭欠发达情况下用于达到第二宇宙速度的最佳选择．各国研制的燃料化学火箭的相关性能指标和形态参数都相差不大，除宇宙神－5之外，还有欧洲太空局（European Space Agency）研制的阿里安－5系列运载火箭；日本研制的H－2A运载火箭；美国研制的德尔塔－4运载火箭；以及经NASA研制且在2015年3月11日才进行了试验的新型运载火箭——“太空发射系统”（Space Launch System）等．本文将以美国宇宙神－5系列运载火箭为代表进行介绍．

重型运载火箭—宇宙神－5（Atlas V）是较为理想的候选者．该运载火箭系统目前由美国洛克希德马丁公司（Lockheed Martin Corporation）和波音公司（Boeing Company）共同研制，航空喷气公司（Aerojet Corporation）负责对其固态辅助火箭的研发和制造［2］．宇宙神－5系列火箭包含400系列和500系列，这个三位数中，左数第一位表示整流罩的直径（单位：m），例如“4”表示此款火箭的整流罩的直径为4m；第二位数表示公用芯级捆绑的固体推进器的数量［3］；第三位表示半人马座上面级发动机的数量［3］．此外，宇宙神－5系列中还含有新研发的宇宙神5H重型运载火箭．

宇宙神－5第一级由液态氧和煤油组成燃料，发动机为俄罗斯生产的RD－180火箭发动机，无节流状态下的真空推力可以达到约4．14×106N（注：无节流状态下的真空推力，主要指在真空环境下，火箭发动机喷口处或燃料输送管道等装置中的节流阀几乎不产生节流效应时，发动机所能提供的推力，近似等同于“真空下最大推力”．节流（效应），指流体在管道中流动突然遇到较窄截面时导致的压力下降的现象．工程上常常利用节流效应控制流体工质的压强、流速等参数以达到相应的技术要求．火箭推进器中，节流效应多被用于实现推力可调功能，主要以提高系统稳定性、灵活性和经济性为目的，例如调节燃料各组分的混合比或调节推力室中燃料的流量以实现火箭推力在不同航段和不同环境下的调整．），真空比冲约为3300m·s－1（注：比冲，单位质量的推进剂所能带来的冲量，单位：m·s－1或N·s·kg－1．真空比冲即为在真空下测得的发动机比冲）；第二级是以液态氧和液态氢为燃料的半人马座火箭，其上面级使用1－2台普拉特·惠特尼公司负责研制的RL10A－4－2液氢液氧发动机［3］，平均每台发动机的推力达到约105N，真空比冲超过4000m·s－1．宇宙神系列运载火箭的部分衍生型加装有捆绑式固态辅助火箭来提高有效载荷和起飞推力［2］，随着捆绑固体助推器数量的增加，火箭最大动压①和GTO②有效载荷都随之大幅提高（注：①动压（Dynamic Pressure），物体在流体中运动时，在正对流体运动的方向的表面流体完全受阻，此处的流体速度为零，其动能转变为压力能，压力增大，其压力称为全受阻压力简称全压或总压，用P表示，它与未受扰动处的压力即静压，用P静表示之差，称为动压用P动表示．现有火箭推进器常采用RBCC系统（Rocket－Based Combined Cycle，火箭基组合循环推进系统）．该推进系统是火箭发动机与吸气式发动机的集成，是这两类发动机组合成的一体化推进系统，为保证吸气系统的稳定工作，常常需要进行等动压爬升，此时需要火箭进行一定的姿态调整，因此火箭的流体力学性能指标中的动压相关参数显得尤为重要．而根据动压的定义和计算公式，火箭的最大动压这一参数体现了火箭的最大速度和克服阻力的能力．②地球同步转移轨道（Geostationary Transfer Orbit，GTO），是霍曼转移轨道的运用之一，为椭圆形轨道，飞船在远地点经过加速后可达地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）．近地点多在1000km以下，远地点则为地球静止轨道高度36000km．这种轨道常常用于发射地球同步卫星．捆绑固体助推器的数量由1增加到5时，GTO有效载荷能力由约5．4×104N增加到约8．7×104N［4］，宇宙神－5HLV的GTO有效载荷达到约1．32×105N［5］．宇宙神－5各常见系列的各级推进器的外在特性见表1［5］．可见，宇宙神－5运载火箭系统有着推力大、加挂辅助固体推进器方便灵活、比冲较大、系统可靠性高、燃料常见且易于制备的关键性优点，但同时也有着推进总时间较短、推进功率几乎不可调、质量及体积庞大的缺点．

2．2 VASIMR（可变比冲磁等离子体火箭）

VASIMR在当前并非家喻户晓，但在航天学界被认为是奔向火星的必选推进器之一．它的原初构想由其设计师——前NASA航天员张福林（Franklin Chang Díaz）提出．张福林曾断言，在VASIMR的帮助下，前往火星的航行用时可以缩短至39天．

VASIMR全称Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket——可变比冲磁等离子火箭．与传统化学火箭不同，其原理是将氢、氦等“燃料”加热至上千万摄氏度的高温而形成等离子体，之后被特定磁场约束并加速后由发动机喷出而产生推力，理论上喷出的离子线速度可达3× 105m·s－1［6］，几乎是化学燃料火箭的近60倍，而且可以改变该推进器比冲的大小，这样方便对航行轨道进行更精确的微调，缩短航行时间的同时更加节省燃料．VASIMR的核心推进部件可大致分为3部分：（1）螺旋波等离子体源；（2）离子回旋共振加热级（ICRH，Ion Cyclotron Resonance Heating）；（3）磁镜约束下的磁喷嘴．其中，第一部分利用导线绕制成的天线与磁化等离子体中的右旋极化螺旋波共振［6］，共振过程中由于朗道阻尼的存在，螺旋波中的能量被等离子体吸收，因而能够产生高温、高能量、高密度的等离子体源（注：朗道阻尼，由苏联物理学家列夫·达维多维奇·朗道提出．指一种粒子和波相互作用使波的振幅减小的现象．在应用中，科学家经常利用这样的特性通过特定的波给粒子传递能量．）．第二部分的离子回旋共振加热级在接收到第一部分的等离子体后通过射频的方法进一步大幅加热等离子体并使之按照特定磁力线的约束加速螺旋行进；高温高速的等离子体到达第三部分的磁喷嘴后被磁场改变速度方向，使之沿着喷口反方向加速，并最终喷出而离开火箭，根据动量守恒原理，火箭将获得与喷出物质等大反向的动量，于是飞船得以加速．

表1　“宇宙神－5”各级段外形及质量参数

使用性能方面，VASIMR的相关参数已列于表2［6］中．可以看出，VASIMR的主要优点包含：（1）效率高，“功率推力比”较高，这点在深空航行时至关重要——高效率意味着更少量的能源浪费、更高的成功率；（2）质量相对较小，航天器可以同时携带多个推进器，可以进行多方位、多角度推进，轨道控制更加精确；如果某一个推进器出现故障，还有进行替换并继续工作的机会；（3）比冲可调范围相当大，在高推力、低比冲模式下，飞船可以产生最大加速度，有利于姿态和航道的调整，而在低推力、高比冲模式下，飞船可以长时间持续工作并加速，以达到缩短航时的目的．

VASIMR的缺点：（1）推力较小，其推力与化学火箭相比已不在同一数量级，一艘飞船上决不能只装载这一种推进器，要摆脱地球引力达到第二宇宙速度，仅靠VASIMR是无法完成的；（2）耗电量巨大，一台现有VASIMR在满负荷工作时的功率可达到107W数量级，而一座国际空间站的耗电量仅为数百千瓦，现有的空间太阳能电池技术很难具有此产能效率，在前往火星的过程中太阳的照射强度逐渐减弱，供电量更是无法满足要求，面对如此大的耗能水平，几乎只能把希望寄托于核能．

表2　VASIMR性能参数

2．3 核动力推进器

飞往火星的旅途中，太空供给人类可利用的能量微乎其微，飞船若携带供应半年能量的电池，体积和质量未免过于庞大，在此需要一种能量密度足够大的储能技术或产能技术．核能——这是爱因斯坦质能方程E＝mc2给人们带来的启示．

现在空间推进技术中，离不开动量守恒定律．例如推进器工作分为两步：（1）将特定工质“抬升”到高能状态，此过程耗能最大；（2）经过特定的通道喷出，实现“动量交换”．核动力推进器包含两种能量转换方式：核－电、核－热，能量来源包括核裂变和核聚变，目前人们可控制的主要是核裂变过程．

核动力航天器的研究始于20世纪50年代，美国于1955年启动ROVER计划，以大型洲际弹道导弹为应用背景，研制大型核热火箭发动机．在此计划期间，共进行了14种不同系列的反应堆和发动机部件的实验，核热功率范围从500W至5000MW，相当于推力范围自102N至106N［7］，为后续的研究奠定了数据和经验基础．NASA曾编制的载人火星探索设计参考架构（Human Exploration of Mars Design Reference Architecture，DRA）5．0中，核动力火箭发动机被推荐为地球火星转移飞船主动力方案［8］．本世纪初，兆瓦功率级的核反应电源构想应运而生．“普罗米修斯”工程的核心——JIMO，它原本用于探索木星的卫星，该卫星的能源来源于一个550kW的核反应堆和一个2kW的太阳能电池板［9］．亦可将本文上述VASIMR与核反应能源配合使用，3－5个VASIMR发动机的运行功率大致为106W数量级，根据NASA的估算，飞船搭载5个VASIMR，自重600吨的情况下，若核反应堆能保证VASIMR全程的能量供给，飞船到达火星只需要39天［9］．

核电池技术具有广阔的发展空间．美国“好奇号”火星探测器装载了理论上可供能14年的核电池．核电池又叫“放射性同位素电池”，它通过半导体换能器将同位素衰变过程中不断放出的射线产生的热能转变为电能，现已被成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源和一些特殊军事用途．此外，人们发射过一些核动力卫星，包括美国的“海盗”号探测器、“先驱者”10号、“旅行者”1号和“旅行者”2号等探测器，其动力和电源设备中都使用了同位素温差发电器．卫星中的核能装置不同于核电池和核热发动机，它主要分为两类：放射性同位素温差发电机及核反应堆电源．前者功率范围在几十至上百瓦；后者功率较大，可达数千瓦至数十千瓦．核电设备由于其长寿命和几乎不受外界温度、压力甚至电磁场干扰的稳定的工作性能，在该火星计划中将会是必须包含的部件之一．飞船核燃料可以采用地球上储量更丰富、更轻质的元素参与核反应，并提供更加持久、功率更高的电能来供给更多的电推进器的使用．

2．4 无工质微波推力器

无工质推进器常常出现在科幻小说或电影里面，例如吉恩·罗登贝瑞（Gene Roddenberry）导演的电影《星际迷航（Star Trek）》和刘慈欣的科幻小说《三体》，这种推进器在艺术家笔下展现出了惊人的工作性能和发展潜力．而在现实的空间科技发展中，英国卫星推进研究公司（Satellite Propulsion Research Ltd）的研究员Roger Shawyer根据普朗克量子假说及爱因斯坦光量子理论率先提出了无工质微波推力器的初步设计、理论分析和实验研究．

无工质微波推力器，是在21世纪航天工业水准空前发展背景下产生的一种新型推进器概念，现处于实验和研究阶段．其主要工作原理：被导入特定形状封闭腔体内的高能微波与腔体表面发生作用而在推力器轴线方向上产生净推力［10］，该推进器拥有以下显著优点：（1）没有燃料燃烧产生的高温，机组零件不必再面临被超高温腐蚀的危险；（2）几乎完全只消耗电能，而现有的空间能源技术几乎都在针对电能的产生和储存的方向来发展，前景广阔；（3）可在较大范围内调整推力与功率，空间中推进更加灵活．

依据Roger Shawyer团队的实验数据及其拟合的实验曲线，当微波的输出功率为1kW时，推进器可获得0．1～330mN的推力输出范围［11］．对于这样一个全新思路、全新概念的推进器，目前仅处于试验阶段就取得了瞩目的进步．如同利用太阳辐射和光压来推进的太阳帆推进器，无工质微波推力器的设计相当于自带辐射源，其可控性和可靠性都大大提高．随着核电技术的发展，更大功率的电源将会陆续出现，搭配上太阳能电池板的使用，从地球飞往火星的旅途中就不必再携带大量的燃料，仅靠电能就足以将航天器送至火星．

3 结论与分析

本文对火星登陆计划中空间技术的要求进行了简明的阐述，又对当代常用的几种空间推进系统进行了较为详尽的说明和初级的分析．4种上述推进系统的总体比较见表3．

表3　推进系统总体比较

火星之旅，第一步需要从地球发射，脱离行星引力并达到至少第二宇宙速度，首先是大推力火箭，可以利用现有的、较为成熟的固态／液态化学火箭，配合核热技术，提高比冲的同时增加最大载荷和连续运行时间，这样就能携带更多有利资源来供给宇航员的生活和准备将来火星“移民”的必需物资．其后，在前往火星的空间航行过程中，需要空间电推进器在途中进行多次轨道调整并进行长时间的加速和减速，在此环节中可利用无工质微波推力器或以VASIMR为代表的一类电动火箭，它们拥有比冲大而且可调度较高的优势，二者中选择谁或二者如何搭配取决于两类火箭的技术发展水平，该两种推进系统能否高效工作还取决于核能的发展和利用．

火星登陆计划中需要考虑的参数相当复杂而且指标繁琐，需要找到各个部分之间的联系和区别，兼顾大局和细节，整个计划才有可能成功并拥有其真正的价值和意义．相信火星登陆计划能像预期的那样，真正让人类向火星进发，“走”向深空．

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THE COMPREHENSIVE OPTION OF THE SPACECRAFT PROPULSION SYSTEMS USING FOR LANDING ON MARS AND ITS PHYSICAL PERFORMANCE

Song Zhihang1Liu Yuying2
（1College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083；2College of Science，China Agricultural University，Beijing 100083）

AbstractThe Mars landing project led by the United States has drawn more and more attention recently．The key point in the trip to Mars is to send humans to Mars successfully．For the manned spacecraft to Mars，one of the key technology break throughs is the propulsion systems of spacecraft．In this paper，several propulsion systems of spacecraft widely accepted in this project are introduced．Based on the physical principles，the track selection problem during the process of spacecraft propulsion are discussed．Besides，several kinds of spacecraft propulsion systems and their physics parameters are comprehensively compared and analyzed．The best choice of spacecraft propulsion system is also suggested，as a reference for the readers．

Key wordsMars landing；propeller；variable specific impulse magnetoplasma rocket（VASIMR）；nuclear power；propellantless microwave thrusters

DOI：［7］ 廖宏图．核热推进技术综述［J］．火箭推进，2011，37（4）：1－11．10．3969／j．issn．1672－9374．2011．04．001．

作者简介：宋知沆，男，在读本科生．346138911＠qq．com；刘玉颖，女，副教授，主要从事凝聚态物理研究及大学物理教学研究．liuyuying＠cau．edu．cn

基金项目：中国农业大学教育教学改革项目，多层次的“大学物理”国际化教育教学模式与学生科研能力的培养（201416）；2014年中国农业大学本科生科研训练计划项目：以大学物理双语教学为载体对学生科研能力的培养．

收稿日期：2015－05－14