动力学和宇宙

发布时间：82年07月28日

B. C. Авдуевский 编译傅民杰

目前，人类正在生产如此之多的能量——这必然要考虑到对地球的“热污染”。如果利用宇宙动力学，那就能避免这种热污染。

利用太阳能的具体途径将是多种多样的：可通过太阳辐射能收集器直接利用太阳能；或把太阳能转换成电能和机械能，以用于生产之目的。近年来，这些设想已进入具体方案的设计。

人类在保持我们的行星生态平衡的前提下，加紧开发太阳能，正是这些方案的目的。在这里，我们只研究纯技术方面的问题。

目前，世界对能的年需求量是3×10²⁰焦耳，这约是地球摄取太阳能量的0.01%。假如全人类按每人平均对能量的需求量像发达国家那么多，那么0.01%将增至0.03%。实际上，这个数值已相当接近于对地球气候产生不可逆影响的极限，即接近于对地球的热污染极限。如果我们对地球上人口的继续增长和发达国家对能量的需求量的增加作一下统计（每10 ~ 15年增加一倍），那么情况将会更加严重。

根据专家们的意见，要防止生态特性造成的危机性后果，并保持全球性生态平衡，那就必须使社会对能量的总消耗达到40%。

克服上述困难的一条捷径，就是使我们行星表面的“二度”工业（即“二维间”工业）过渡为“三度”工业（即“三维间”工业）。换句话说，就是把绝大部分动力技术和那些耗能量大的危险性生产迁移到近地宇宙空间，这正是著名的科幻作家К. З. 齐尔科夫斯基所幻想的那种人类的未来。

宇宙电站的优缺点

一般研究宇宙电站图形是研究伸展在距离地面36000公里高的地球静止轨道上的结构，太阳能电池就是这些结构的主要部件。宇宙电站发出的电流被转换成向地面输送的超高频辐射，然后地面再把这种超高频辐射变成符合参数要求的电流。

对方案的研究表明，下面数字可看出一座宇宙电站的特点：电站功率约为10百瓦；电站的质量级是10⁵吨；太阳能电池的展面约为100平方公里，这个面积约是地面超高频辐射接收天线的面积。

目前，美国正设计一批方案，来研究在二十一世纪最初三年里，将建造大约60座这样的太阳能电站的可能。此间，西欧预计建造50座。这些电站能保证需电量的40 ~ 50%。估计一座宇宙电站的造价约为150 ~ 400亿美元，这当然造价很高了！我们来看下表，请比较一下：在核反应堆加速器、热核反应堆和宇宙电站的基础上，用在实施获得电能的各种具有广阔前途方案上的开支。

目前最经济的还得数核反应堆加速器方案。但这种方案却有一些严重的缺点：核反应堆能产生大量具有潜在危险的放射性废物。此外，核反应堆需使用蕴藏量有限的铀和钍作为初级原料。至于宇宙太阳能电站，则需考虑到已作出评价的主要特点。要承认，宇宙太阳能电站的经济效果略不同于具有广阔前途的热核反应堆的经济效果。因此，目前有足够充分的理由把宇宙太阳能电站作为一种具有广阔前途的能源来研究。

与此同时，所进行的研究表明，要建造宇宙电站，必须克服许多困难。这些困难之一就是电站建设规模的庞大性问题。譬如，要向地球静止轨道运送质量级为10⁵吨的电站部件，只能借助液体火箭推进器来实现。因此，需要向近地轨道基地提供大量燃料。这样一来，电站的总质量就超过3×10⁵吨。要从地面把这么大数量的载荷发射到宇宙中去，需制造出几乎是幻想载重量的运载火箭。从地面发射这种运载火箭还涉及到另一个困难：当运载火箭穿过地球大气层时，需耗极大数量的燃料，仅运送一座这样的宇宙电站，就约需8百万吨燃料。

如果取太阳常数1%地球所允许数量的能的需求量，即可算出：如果宇宙电站能保证这一能量值的10%，那么当一个宇宙电站的功率为10百瓦时，所需这样的电站数量应为10⁴座。不难算出，要利用碳氢化学燃料运载火箭向地球静止轨道发射，如果运送1000个电站的有效载荷，则约需消耗10¹¹吨燃料。为了比较，应当指出，地球大气层中二氧化碳气体的数量约是2×10¹¹吨。很显然，进入具有这么大数量燃烧产物的大气层能对行星气候产生明显影响，这从生态学角度是绝不容许的。

宇宙动力学中的新思想

可见，要合理解决从宇宙向地球上的供电问题，原则上必须采取另外一种方法。首先，根据新制定的实际原则，需解决以下三项任务：一、在保持那些有效功率的前提下，找到实际减小宇宙电站质量的方法。二、在向近地轨道基地运送载荷时，把对周围环境的损害降到最低限度。三、保证把这些载荷最合理地转运到地球静止轨道上。

最后的任务是建造轨道间的托运飞船，要完成这项任务，最好的方法是利用电火箭发动机。等离子或被电磁场加速的离子束应成为这种电火箭发动机中的工作物。

利用电火箭发动机向地球静止轨道运送有效载荷的方法具有很多重要优点。第一，在这种发动机中可利用宇宙电站本身生产的太阳能。第二，使用这种发动机最为经济。第三，这种电火箭发动机能保证以对航天器起助推作用的较小的加速度进行运载，即加速度不超过10^-3 ~ 10^-4g，这可降低对最初在近地轨道基地上所安装的大体积电站部件的强度要求，这就相应地减小了电站的质量。

再复杂一些，就是制造所设计的用于火箭地面起飞的新型推进装置。目前，我们正在研究如何利用激光技术成果来解决这一课题。

激光技术与星际航行学

可保证火箭从地面起飞的激光发动机著称于世界。激光发动机是根据电火箭发动机原理制成的。和普通化学燃料火箭不同的是，发动机内的工作物和能源是分离开的。但是，如果使用电发动机的话，能源（太阳能装置或核反应堆）是在火箭体内。那么，使用激光发动机时，实际上是在地面，向火箭输能是通过高聚焦的激光束来实现的。

火箭发动机中的工作物是通过激光辐射能被重新加热到高温，然后通过火箭的超音速喷管以高流速喷出。由于能源设在地面，再加上工作物的比脉冲流速很大，所以激光发动机能保证获得1 ~ 2g极大的加速度。因此，和电发动机所不同的是，这种激光发动机可作为火箭从地面起飞时的备用发动机。

作为备用激光发动机的初级能源，最适合使用宇宙电站的能。利用这种能的方法将有两种：一种是通过高聚焦激光束直接向火箭发射台上的火箭输送宇宙电站的电能。这种方法有很大优点：它不需任何中间的能转换器和能存储器。但是，当电站的标准功率是10百瓦时，使用这种方法只能把1 ~ 10吨较小的有效载荷送上近地轨道。

因此，值得注意的是另外一种方法，尽管这种方法较为复杂。这就是：从宇宙电站输送来的能首先进入能的存储器，以便用于火箭发射。要实现这种方法，须在地面建立（以超导元件和液压蓄压器为主的）能存储器、能转换器以及用来提高对火箭输能功率的组合激光器。

如果工作物流速是20公里/秒，有效载荷是100吨，那么火箭的起飞重量就约是200吨。从经济的角度考虑，选择水作为工作物最为合适。这样一来，生态问题实际上比使用碳氢燃料时的严重程度稍差些。关于火箭发动机排出的蒸汽对地球大气层中臭氧保护层的影响问题实际上需进行专门研究。

在工作物——水被蒸发成蒸汽前，要使蒸汽流速达到20公里/秒，就必须使发动机功率接近于10⁸瓩级。需向飞行中的火箭输送的全部的能应为10¹⁴焦耳（这合被转换的辐射能的有效功率的10%）。我们把向火箭输送这么些能的地面激光装置的质量比取作1公斤，那么，地面激光装置的质量就是10⁸吨。所以，这种利用激光发射器使火箭起飞的地面设施是技术复杂、造价昂贵的设施。但这种设施的造价未必高于用在建造第一座宇宙电站上的费用（400亿美元），但是，这种激光设备却有一个很大的优点：使用该设备能使对环境的损害性影响降低许多倍。

在激光技术发展中的进步能加速解决其他宇宙工业问题，即实际减小宇宙电站的质量。特别是对靠太阳的辐射直接聚焦成激光的大功率激光器制造可能性的研究3使用这种激光器能以高聚焦光束的形式向地面输送激光辐射能。

对宇宙电站来说，使用激光器能大大缩小接收天线的尺寸，还可利用人造地球卫星作为中继站。

激光器和宇宙中的热核能

现在，已经可以考虑制造光子机的问题，换句话说，譬如建立激光辐射能转换成电能的有效转换系统。如果激光器比作发电机，那么光子机就好比电动机。这种光子机一旦问世，地面激光辐射能转换系统的有效功率将增至70%。如果这项任务能够得以解决，那还会再次减小宇宙电站的质量，并提高电站的工作效率。

实际上，还存在着进一步减小宇宙电站质量，防止对环境产生不良影响的其他一些可能。这些可能之一是，在可控热核反应基础上，把使用能的设备作为宇宙电站的初级能源。

我们以热核推进装置为例来进行研究。在热核反应堆中将发生能引爆激光辐射的氘——氚反应。这种推进装置的额定质量为300吨，当脉冲频率为500赫兹时、反应堆的全热功率为63百瓦。热能→电能的有效转换率为15%（譬如，使用热离子发射转换器时），反应堆的功率为10百瓦，这相当于标准宇宙电站的功率。如果使用有效功率高很多倍的相对论性电子束来代替热核能装置中的激光，那么我们还能减小电站的质量。

摄取的太阳热能或宇宙热核反应堆产生的热能可直接转换成激光辐射能，然后再把能输送到地面。如果我们取这种设备的质量比为2 ~ 3公里/瓩，我们即可得到功率为10百瓦、绝对质量为(2 ~ 3)×10⁴吨的激光 - 热核宇宙电站。这个质量值有时比普通的宇宙电站还要小。这种电站的热核燃料耗量很小，只有10^-14公斤/焦耳，当发电功率为10百瓦时，热核燃料的年耗量为3吨。把热核动力技术移入近地宇宙空间，这能实际提高开始对地球产生实质性“热污染”的能量极限。正是鉴于这种原因，才提出适于目的的设计宇宙热核电站的方案。如果考虑到被建筑在热核反应堆基础上的宇宙飞船可利用热核推进装置从轨道基地迁移到地球静止轨道上，那么所赢得的质量数值实际上还会更大。