长征七号近日首飞,这些火箭技术你可能不知道

头条推送科普中国头条推送项目头条推送2016-06-22 10:42
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[摘要]长征七号火箭首飞,你对火箭的知识了解有多少?火箭上天是靠什么技术呢?你听说过小推力推进火箭吗?

长征七号近日首飞,这些火箭技术你可能不知道

“小推力推进技术”是怎么回事?

随着人类深空探索的深入,国外对小行星的探测日益增多。美国、欧洲和日本先后发射了多颗小行星探测器,有的实现了小行星表面物质的取样返回。由于小行星探测需要探测器飞得更远、时间上也更长,小推力推进技术因而登上了深空舞台。

连续小推力是相对常规化学推进器所能产生的推力而言,在众多的推进技术中,可提供连续小推力且比较成熟的推进器可分为电推进和太阳帆两类。化学推进系统发展较早,技术更为成熟,但提供给探测器加速能力有限。电推进是利用电能加热或电离推进剂加速喷射而产生推力。太阳帆的原理其实并不复杂,就类似大海中航行的帆船一般,只是太阳帆依靠的是太阳光压力而不是风。小推力推进技术虽然提供的推力很小,但是通过持续的加速,最终使航天器达到一个可观的速度。在化学推进的航天器与小推力航天器的假想比赛中,就类似龟兔赛跑那样,最终胜出的是那个不断加速的。

关于电推力器,你知道多少?

电推进的理论始于20 世纪初期,1906 年美国科学家戈达德(R. H. Goddard)提出了用电能加速带电粒子产生推力的思想。1911年俄国航天事业的先驱齐奥尔科夫斯基也设想利用带电粒子作空间喷气推进。1929 年德国科学家奥伯特(H. Oberth)出版了研究利用电推进的书。1929-1931年间,前苏联在列宁格勒建立了专门研究电火箭发动机的机构,并演示试验了世界上第一台电推力器。

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“黎明”号探测器(图片来自网络)

电推进系统在航天任务中比较典型应用的有美国的深空探测航天DeepSpace-1、“黎明”号,日本的小行星取样探测器隼鸟号,欧空局的SMART-1以及月球探测器和地球重力场和海洋环流探测卫星GOCE。DeepSpace-1年发射,是电推进首次作为主推进系统在深空探测中的应用。黎明号于2007年9月发射,配备了先进的等离子推进系统(电推进),旨在访问灶神星和谷神星这两颗小行星。

太阳帆推进技术的诞生

著名天文学家开普勒早在400年前就曾设想过不携带任何能源,仅依靠太阳光的能量使飞船驰骋太空的可能性。他曾指出,彗星烟雾状的尾部就是在太阳光影响下“不断飘动的”。开普勒还计算出太阳光可为宇宙飞船提供的具体推力。但直到1924年,齐奥尔科夫斯基和其同事灿德尔才明确提出“用照射到很薄的巨大反射镜上的太阳光所产生的推力获得宇宙速度”。正是灿德尔首先提出了太阳帆——这种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想,成为今天建造太阳帆的基础。

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艺术家眼中的帆船以及太阳帆

太阳帆具备的永久动力源和高速行进能力是火箭也无法具备的,所以随着技术的不断发展和完善,太阳帆飞船必将取代火箭,成为人类探索远太空的利剑。

探测器在天上怎样“看”小行星呢?

为了一睹小行星的真容,探测器可以采取以下四种方式:飞越、交会、撞击和采样返回。

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嫦娥二号700万公里深空飞越图塔蒂斯小行星(图片由作者提供)

飞越好比探测器“飞吻”小行星,这个时候两者相对速度很快,探测器在与小行星擦肩而过那一小段宝贵时间马上给小行星进行拍照。

交会探测是探测器与小行星“共舞”,探测器先是快速追上小行星,然后缓慢从小行星身后靠近,最后两者一起飞行。这个概念同我国成功实施神舟飞船与天宫一号(微博)交会对接任务一样,即太空中两个天体缓慢靠近,但是天宫一号是主动配合神舟飞船,而小行星不可能听话去配合探测器。

撞击是探测器与小行星迎头相撞,从而使小行星偏离离威胁地球的轨道。2005年,美国的彗星探测飞船 “深度撞击号”释放出一颗372公斤级的钢弹,撞击“坦普尔1号”彗星的核。

采样返回任务探测器与小行星交会后释放一个着陆器,着陆器将携带探测仪器开展探测区小行星地貌和物质调查,进行小行星的空间环境和空间天气探测,获取探测区的背景资料,并选择合适地点进行钻孔采样和选择性机械臂采样。采样后返回舱在小行星表面起飞,将小行星样品运送回地球,供实验室作进一步的系统分析和研究。可以说,采样返回是一项高精尖的技术活儿。(资料来源:《知识就是力量》)

作者:钱航,中国科学院国家空间科学中心博士、现中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师

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