物理異想航空航太學院，付涵，5114139003 飛向太空 從古自今，飛一直是人類的萝想，從“世界航太第一人”萬戶，到萊特兄弟發明的 世界上第一架飛機，一直到航太飛船的出現和空間站的建立，在進軍太空的過程中，人 類已經完成了一次又一次的飛躍。 但是，隨著研究的一步步加深，很多問題也日益凸顯。例如，在深空探测的發展過 程中，動力問題就是一個很大的困擾。現在的火箭，僅燃料所占總重量的比例就達到三 分之二，嚴重限制了航天器的飛行距離。多級火箭的設計，在飛行過程中抛棄部分品質， 是當今解決這個問題最普遍的方式，但這是遠遠不夠的。航天器想要飛到離開地球很遠 的地方去，所需燃料必然不能全部靠自身攜带，而是要從太空獲取。 那麼，太空中有哪些能源可以為我們所利用呢？目前來看，一是行星引力，二是太 陽能。而這兩種資源都可以為航太飛船提供動力。 引力跳板 眾所周知，行星具有引力場，繞行星運動的衛星和航天器就是靠這個引力提供向心 加速度而圍繞行星運動的。然而，對於懷抱著航太夢想的人類來說，這個引力的作用絕 不僅僅是為在軌飛行器提供向心加速度這麼简單，我們可以靈活而巧妙地使用行星引力， 讓它為人類飛向太空的萝想服務。實際上，只要選擇合適的飛行策略和飛行路線，就可 以對航天器進行變軌和加速等操作，以達到發射航天器或使其飛離太陽系的目的。 舉例來說，嫦娥一號的發射，並不是一直利用自身攜帶的燃料一刻不停的飛向月球， 而是通過在近日點或遠日點的加速，進行四次變軌，使得軌道一逐次抬高，最終使飛船 高度越過地月引力平衡點，進入月球引力場，直接利用月球引力使飛船繞月飛行。 20世紀60年代，阿波羅13號在飛向月球的過程中，由於服務艙爆炸，任務中斷。 當時飛船上的3名太空人就是利用月球引力變軌而最終安全返回地面的。美國在上世紀 90年代末發射的亞洲3號衛星也利用了相似的方法正確入軌飛行。 不僅如此，行星引力還可以幫助飛行器離開太陽系。以木星為例，首先從地球表面 發射航天器使其成為木星的一颗衛星。設木星繞太陽運行的速度為V,飛行器進入木星 引力場時相對於木星的速度為ⅴ。飛行器繞木星旋轉，直到它相對於木星的速度與木星 繞太陽運行的速度方向相同，此時，飛行器的絕對速度是V+ⅴ。在這時候發動機開啟， 離開木星引力場。這個過程中，飛行器就從木星獲得了動能V/2。由於V的數值很大， 這樣的加速對於航天器來說是非常可觀的。然而對於木星而言，由於它的品質非常大， 損失這一點動能對它的運行幾乎沒有影響。 113
物理異想 航空航太學院，付涵，5114139003 1 / 3 飛向太空 從古自今，飛一直是人類的夢想，從“世界航太第一人”萬戶，到萊特兄弟發明的 世界上第一架飛機，一直到航太飛船的出現和空間站的建立，在進軍太空的過程中，人 類已經完成了一次又一次的飛躍。 但是，隨著研究的一步步加深，很多問題也日益凸顯。例如，在深空探測的發展過 程中，動力問題就是一個很大的困擾。現在的火箭，僅燃料所占總重量的比例就達到三 分之二，嚴重限制了航天器的飛行距離。多級火箭的設計，在飛行過程中拋棄部分品質， 是當今解決這個問題最普遍的方式，但這是遠遠不夠的。航天器想要飛到離開地球很遠 的地方去，所需燃料必然不能全部靠自身攜帶，而是要從太空獲取。 那麼，太空中有哪些能源可以為我們所利用呢？目前來看，一是行星引力，二是太 陽能。而這兩種資源都可以為航太飛船提供動力。 引力跳板 眾所周知，行星具有引力場，繞行星運動的衛星和航天器就是靠這個引力提供向心 加速度而圍繞行星運動的。然而，對於懷抱著航太夢想的人類來說，這個引力的作用絕 不僅僅是為在軌飛行器提供向心加速度這麼簡單，我們可以靈活而巧妙地使用行星引力， 讓它為人類飛向太空的夢想服務。實際上，只要選擇合適的飛行策略和飛行路線，就可 以對航天器進行變軌和加速等操作，以達到發射航天器或使其飛離太陽系的目的。 舉例來說，嫦娥一號的發射，並不是一直利用自身攜帶的燃料一刻不停的飛向月球， 而是通過在近日點或遠日點的加速，進行四次變軌，使得軌道一逐次抬高，最終使飛船 高度越過地月引力平衡點，進入月球引力場，直接利用月球引力使飛船繞月飛行。 20 世紀 60 年代，阿波羅 13 號在飛向月球的過程中，由於服務艙爆炸，任務中斷。 當時飛船上的 3 名太空人就是利用月球引力變軌而最終安全返回地面的。美國在上世紀 90 年代末發射的亞洲 3 號衛星也利用了相似的方法正確入軌飛行。 不僅如此，行星引力還可以幫助飛行器離開太陽系。以木星為例，首先從地球表面 發射航天器使其成為木星的一顆衛星。設木星繞太陽運行的速度為 V，飛行器進入木星 引力場時相對於木星的速度為 v。飛行器繞木星旋轉，直到它相對於木星的速度與木星 繞太陽運行的速度方向相同，此時，飛行器的絕對速度是 V+v。在這時候發動機開啟， 離開木星引力場。這個過程中，飛行器就從木星獲得了動能 mV 2/2。由於 V 的數值很大， 這樣的加速對於航天器來說是非常可觀的。然而對於木星而言，由於它的品質非常大， 損失這一點動能對它的運行幾乎沒有影響
物理異想航空航太學院，付涵，5114139003 光壓飛船 光具有動量，照在物體表面會產生力的作用，這就是所謂的光壓。光壓飛船上装有 太陽帆板，利用太陽光在帆板上的反射產生的力，推動飛船前進。這些帆板具有品質輕， 反光性好，厚度小，面積大的特點，目的是獲得盡可能高的加速度。 實際上，飛行器利用光壓能產生的加速度很小，大約在10-3到10-4數量級。但因 為太空中幾乎沒有摩擦力的存在，機械能損失很少，而太陽光又能幾乎源源不断地提供， 所以只要時間足夠，產生的加速度是非常可觀的。 2010年12月， NASA首次成功從 一颗自由飛行的 微衛星上釋放了 一 顆納衛星 NanoSail--D。次年 1月，NanoSail--D 納衛星展開了100 平方英尺的太陽 風帆，成為第一個 運行在地球低軌 道的太陽風帆。NanoSail-D衛星於201l年ll月再次進入大氣層並燒毁。NanoSail-D 衛星的成功發射和在軌運行，實現了讓飛行器不用任何發動機就可以在太空中徘徊的關 鍵方法。 NanoSail-D衛星太陽風帆的面積約為l0平方米，總品質約4千克。根據這個資料， 並假設太陽光始終垂直照射在太陽風帆上，並設風帆是完全反射的。可以計算出，該衛 星軌道處太陽光單位時間、單位面積內可產生的動量（即光壓）約為9×10N·m,產 生的推力約為10N,加速度在10數量級。 雖然這個加速度很小，但是對於太空中的航天器，太陽可以說是無限的動力之源， 一旦太陽帆展開，就可以連續加速。平均每天可以獲得大約10m/s的速度。隨著在軌時 間增加，飛船可以前行相當遠的距離。 那麼，飛出太陽系是否可能呢？答案是肯定的。在太陽系的任意位置，光壓大小P。 與該點距太陽中心的距離r成平方反比關係。類比萬有引力公式，可以知道，和引力場 一樣，光壓也產生一個場，並且具有勢能。在長軸相等的一系列軌道上，飛行器只要品 質滿足軌道能量與光壓勢能的和大於或等於零的關係，就可以從該軌道出發飛出太陽系。 可見，利用光壓把航天器送出太陽系的美妙設想是可以成為現實的。只要航天器的 品質足夠小，攜帶的太陽風帆面積足夠大，在足夠長的時間之後就可以辦到。但是，把 航天器從地面送入軌道仍然需要自身攜帶燃料。由於光壓數值很小，所以在利用光壓飛 2/3
物理異想 航空航太學院，付涵，5114139003 2 / 3 光壓飛船 光具有動量，照在物體表面會產生力的作用，這就是所謂的光壓。光壓飛船上裝有 太陽帆板，利用太陽光在帆板上的反射產生的力，推動飛船前進。這些帆板具有品質輕， 反光性好，厚度小，面積大的特點，目的是獲得盡可能高的加速度。 實際上，飛行器利用光壓能產生的加速度很小，大約在 10-3 到 10-4 數量級。但因 為太空中幾乎沒有摩擦力的存在，機械能損失很少，而太陽光又能幾乎源源不斷地提供， 所以只要時間足夠，產生的加速度是非常可觀的。 2010 年 12 月， NASA 首次成功從 一顆自由飛行的 微衛星上釋放了 一 顆 納 衛 星 NanoSail-D。次年 1 月，NanoSail-D 納衛星展開了 100 平方英尺的太陽 風帆，成為第一個 運行在地球低軌 道的太陽風帆。NanoSail-D 衛星於 2011 年 11 月再次進入大氣層並燒毀。NanoSail-D 衛星的成功發射和在軌運行，實現了讓飛行器不用任何發動機就可以在太空中徘徊的關 鍵方法。 NanoSail-D 衛星太陽風帆的面積約為 10 平方米，總品質約 4 千克。根據這個資料， 並假設太陽光始終垂直照射在太陽風帆上，並設風帆是完全反射的。可以計算出，該衛 星軌道處太陽光單位時間、單位面積內可產生的動量（即光壓）約為 9×10 -6 N·m，產 生的推力約為 10 -4N，加速度在 10 -4數量級。 雖然這個加速度很小，但是對於太空中的航天器，太陽可以說是無限的動力之源， 一旦太陽帆展開，就可以連續加速。平均每天可以獲得大約 10m/s 的速度。隨著在軌時 間增加，飛船可以前行相當遠的距離。 那麼，飛出太陽系是否可能呢？答案是肯定的。在太陽系的任意位置，光壓大小 P0 與該點距太陽中心的距離 r 成平方反比關係。類比萬有引力公式，可以知道，和引力場 一樣，光壓也產生一個場，並且具有勢能。在長軸相等的一系列軌道上，飛行器只要品 質滿足軌道能量與光壓勢能的和大於或等於零的關係，就可以從該軌道出發飛出太陽系。 可見，利用光壓把航天器送出太陽系的美妙設想是可以成為現實的。只要航天器的 品質足夠小，攜帶的太陽風帆面積足夠大，在足夠長的時間之後就可以辦到。但是，把 航天器從地面送入軌道仍然需要自身攜帶燃料。由於光壓數值很小，所以在利用光壓飛
物理異想航空航太學院，付涵，5114139003 出太陽系的過程中，也需要發動機的輔助推進。 這兩種利用太空中資源作為飛行器動力的方式具有許多優勢，並且已經在現實的中 得到了初步應用，但是還有很大的發展空間。相信隨著航太人的不断努力，在不就的將 來，人類飛向太空的萝想定能實現。 參考資料 [1]NASAHomepage http://www.nasa.gov/mission pages/smallsats/nanosaild.html [2]維琪百科“NanoSail--D”詞條 [3]百度百科“引力跳板”詞條 3/3
物理異想 航空航太學院，付涵，5114139003 3 / 3 出太陽系的過程中，也需要發動機的輔助推進。 這兩種利用太空中資源作為飛行器動力的方式具有許多優勢，並且已經在現實的中 得到了初步應用，但是還有很大的發展空間。相信隨著航太人的不斷努力，在不就的將 來，人類飛向太空的夢想定能實現。 參考資料 [1]NASAHomepage http://www.nasa.gov/mission_pages/smallsats/nanosaild.html [2]維琪百科 “NanoSail-D”詞條 [3]百度百科“引力跳板”詞條