太空航行与作战技术导论 第五节第三种推进形式:光压推进系统与磁压推进系统

    如同帆船可以乘著风前进一样，太空船也可以乘著光前进。采用此类推进方式之系统被称为光压推进系统。电磁波是具有动量的，马克斯威尔导出的电磁场方程序中便已指出这点。

    光的辐射压效应是目前设计高轨卫星与行星探测船的主要考量因素，因为它造成的力矩会扰动太空船的航道，在一万哩的高度以上是太空飞行体的主要扰动来源。目前这种形式的光压动力被用在行星探测船上，但主要是用于姿态修正而非作为推力。比如航海家四号便以改变光压力矩作为姿态控制。作为主要推力的光压系统的最简单概念便是太阳帆，用一块镜子放在太空中，它自己就会受到太阳光压而前进。

    太阳帆的制造在技术层面上有些麻烦，因为它必须非常薄，同时面积要非常大。但这并不是完全办不到的那种困难，而是效率方面会因为技术水平的不足而滑落。太阳帆目前已有成品，前苏联曾经在太空站上测试介于太阳帆与大面积反光板之间的产品，另外以光压为主要动力的太阳帆成品则是民间的一些业余团体作制造。「世界太空基金会」(worldspacefundation)与「法国光子动力推进联盟」(frenchunionpourlapromotiondela-propulsionphotonique)便已于几年前造出小型光帆航行载具，并希望能在1992年哥伦布发现新大陆五百周年时能让此太阳帆航向月球。但这些业余团体无法支付火箭发射费用，同时也没有其它班次的发射载具能让他们的产品搭便车，所以至今仍然没有发射入太空。

    单靠太阳光压的光帆的优点不需要花费任何燃料成本，缺点是推力太低加速过慢，同时远离太阳的地方光压会过低。其推力可由以下公式求得：

    f/a=2(s/c)

    根据经验太阳能流量（solarflux）s=(3.1*10^25)/r^2

    其中f/a为每平方米的推力值（牛顿），c为光速（3*10^8m/s），s为以瓦计的每平方米能量流束，r为自太阳起算的距离（米）。在距离太阳一个天文单位的距离下，日光功率约为每平方米1400瓦，面积一平方公里的太阳帆约可获得10牛顿的推力。若是假设此光帆重量为一公吨，则所获得的加速度仅有约千分之一个g左右，可用此数据来简单推估光帆系统的性能让大家有点概念。同样我们以标准太空船为计算对象，但将其一万吨之燃料携带量作为其所使用之光帆重量，其计算如下：

    假设一平方公里面积的光帆重一吨，则一万吨的质量空间可装设一万平方公里的光帆，再假设太空船由距离太阳一个天文单位的地方出发，即其出发点位于地球绕日轨道上，则每平方公里的光帆获得推力约为10牛顿，面积10000km^2之光帆获得之总推力为10000*10=100000牛顿。船体加帆总质量为110000吨，根据f=m*a之牛顿运动公式计算，太空船之加速度a为：

    100000牛顿=110000,000kg*a=>a=0.00091m/s^2

    可将其除以9.8m/s^2换算成等效重力，约为0.000093g，即约为万分之一个g的加速度。又由于光压推力将随光帆与太阳之距离而下降，这会使计算必须采用积分的方式而使计算过程复杂化，为求简化，我们仅计算此光帆在前一光秒的距离内的加速度。一个天文单位约等于500光秒，一光秒距离仅为其五百分之一，故光压随距离增加下降的程度可以忽略。在这第一光秒的距离内，太空船可以达到的速度可如此计算：

    v^2=v0^2+2*a*s

    由于初速v0为零，因此我们只考虑加速度a与距离s此二变量

    v^2=2*0.00091m/s^2*300000000m--式(a)

    v^2=546000m^2/s^2

    v=739m/s

    再以v=a*t求出加速时间t。

    739m/s=0.00091m/s^2*t

    t=812088sec，将这个数字除以86400可以换算成天数，约等于9.4天。

    根据以上的计算，标准太空船可以使用一万平方公里的光帆，在九天半的时间内加速到739m/s的速度，并在这段时间内前进了一光秒的距离（地球到月球的距离约为1.3光秒）。而这个速度大约略为低于于采用nerva计画中测试的的固态核心核分裂动力推进系统的标准太空船的最终速度。

    当然只要太阳没有熄灭，光帆船可以继续加速，但由于远离太阳时光压会下降，因而最终有一速度极限，这个极限主要视光帆的性能与其质量占太空船的比例而定，光帆的性能越高指其越薄，能以更低的重量提供相同的推力。而质量比例越大则代表其加速度越高，极限加速度则由光帆性能而定。加速度极限便是100光帆零酬载的加速度，此例中极限加速度为千分之一个g。光帆质量比例越大则太空船加速度会越趋近这个值，但光帆占越大的比例也代表太空船酬载越小，超过一定程度时增加的速度的利益将会被减少酬载的损失抵销，因此质量比例有一最佳值，主要改善目标还是会放在光帆性能上。另外一个加速的方法是从更靠近太阳的地方出发，此时可以获得更高的初期推力因而能有更高的最终速度。

    光帆的更进一步运用是用人工主动照射来获得推力。人工照射可分为以采用聚光照射或是主动发射能量光束两种。聚光照射即为于近太阳轨道建立反光板阵列群将太阳能聚焦投射到远处的光帆上，如此可使光帆在相同的距离下获得比平常更高的能量输入，或者在更远的距离减低太阳光散射光压降低的损失而能够达成更长的能量输入距离，两者都能增加光帆的最终速度。这种方法会稍微增加一些成本，主要是聚光站的建造与维护成本，光帆包含聚光站的能量来源同样也是免费的。其所增加的速度可以用最简单的增加推力与加速时间来推估。

    例如若从1au的距离开始出发，若聚光站的照射能让光帆输入增加n倍，则推力与加速度亦可增加n倍。另外增加照射时间可将式(a)的加速度经过修正后再乘上秒数而定。若是聚光输入增为十倍，且能量不衰减距离增为1000光秒的话，则在此段距离内的加速将成为73892m/s，约为73.89km/s。而照射时间则增加为94天，约三个月。这个速度已经高于任何核分裂动力火箭并接近脉冲核融合火箭能达到的速度了。如果聚焦能力能够再加强，让能量不衰减距离能够再拉长，则此太空船的速度最终将超过运用核融合动力火箭系统的标准太空船。

    当然，一切能量源还是免费的，这就是最大的重点。另外需要一提的是增加对光帆的输入和光帆接收能量不衰减的距离是一体两面的，只要聚光能力加强两个都可以加强，但就光帆而言，其输入是有上限的，过大的输入会烧毁光帆。因此聚焦能力超过一个限度后（实际上很容易就会超过），便会在光帆船于近距离时将聚焦光线输出减弱至光帆能够承受的安全系数内，而光帆远离时再逐渐增加输出以弥补距离拉远时的散射损失，以此来将光帆的推力(即能量输入)维持在一个定值。

    另外聚焦用的太阳能板阵列则没有烧毁问题，由于不需要长距离高速移动，它可以作的较厚，同时也可以增加面积与数量等来增加输出。基本上聚光板是没有性能的限制的。而光帆的能量承受安全系数亦是光帆的性能值的一个重要参数。

    主动发射则是由人工放射能量光束进行冲击推进，这种方法需要付出的成本较高，重点是在建立光束发射站，发射光束来照射光帆使其获得推力。与纯粹的太阳光聚焦站不同的是这种光束发射站可以自由挑选所使用的光束波长，不同于聚焦站只能纯粹的聚焦日光。当然，光束发射站的能量来源也可以使用太阳能，如此同样没有燃料费的问题，但是在建造与维护成本上显然会比聚焦站的太阳能反射板高上许多。

    光束发射站的一个使用时机是在远地星球上的运用，比如建立在木星上。太阳能聚焦站必须靠近太阳才行，但是光束发射站却可以远离太阳。当然此时就无法运用太阳能而必须使用核融合发电来作为动力来源了。这会使成本增加，不过这是要在远地行星运用光压系统所必须付出的代价。

    由于可以自由选用光束波长（一般是在建立发射站时就决定波长，可调频的光束发射站则会在设计时有一波长范围限制），因而可以控制光束发射天线的面积与光帆的面积，甚至可以控制光帆的重量。这类系统通常有较聚光站有更佳的聚焦能力，因为他能够调整波长因而能够照射的更远而不衰减。但在长距离照射下仍然有一些问题存在。

    基本上光帆的能量转换效率主要有两个参数影响，一是太空船速度，另一是光线聚焦能力。就光帆而言，光束直径小于等于帆面直径时，所有能量直接投在帆面上，此时光线会被反射与吸收。但在太空船速度低时，入射光线以反射为主，而反射产生的能量传递效率是很低的。

    而太空船速度一旦加到接近光速时，光线与太空船之间的都卜勒效应便会急遽增大，光线由偏向反射变为偏向于吸收，能量传递效应就会增加。因此太空船速度越大，能量吸收效率就越高，从接收的能量中所获得的加速度就越大。但在距离一远，光束直径大于光帆的直径时，能量便不是完全投在光帆上了，此时就会有光束扩散的能量损失。这个损失与太空船与光源距离的平方成正比。而要减少这种损失就必须增加光束的聚焦能力。或者采用暴力法，直接在远距离时增加输出以弥补散射的损失。

    以上两点跟聚光站是一样的，但就第二点而言，由于增加光束发射站输出的困难度与成本远较聚光站的纯粹增加反射板高，因此就光束发射站而言，采用第二种方法很容易不符合成本，因此仍将以增加光束聚焦能力为主要手段。需注意的是这里的「能量光束」并非单指可见光范围的光线而言，而是在长到公分波，毫米波等级的电磁波束到波长极短的硬x射线光束范围内，这就是可挑选波长的光束发射站的优势了。

    一般来说，光束波长短则聚焦能力越强，所使用的发射天线面积也就能够越小。比如若使用硬x射线这种极短波长的光束，则发射站的天线口径可能只有数百公尺到数公里。波长一长则天线口径就会越大。但波长不是越短越好，还需要光帆的配合，光帆是否能够吸收该波长的光束，或者此种光帆是否能作的很薄很轻，这些都是考量重点。同时短波长不一定保障能缩小天线口径，因为若是发射能量固定，则口径越小发射天线表面的能量密度就会越大，甚至有可能大到光束发射瞬间就烧掉发射天线，因此天线口径还是有下限的。比较可能的是用较长波长的光束，并使用天线阵列群来达成大孔径的需求。

    另外波长一长，帆的重量便有可能降低。因为光线在碰到孔径比其波长短的金属网格时会完全反射，跟碰到没洞的金属板效果是一样的。一般家庭的微波炉便是运用这种效应让人能够看到加温中的食物（不过还是建议大家别去看），使用波长较长的微波或是毫米波光束，则便可使用由金属细丝织成的网状光帆，如此不需要特别技术便可自然降低光帆重量。也可以在相同的总重量下增大光帆面积。

    基本上，聚光站将会被运用在近距离的低速的光帆船上，而光线发射站则会应用于远距离的高速光帆船之上。就内太阳系运作或是飞向远地行星任务而言，聚光站是一个相当好的选择。而在远地行星飞向内太阳系（这还必须要抵消太阳的光压）或是往更远的太阳系外层移动则以光线发射站系统为佳。这两种系统算是互补的形式，前者应该会建立在水星以内的太阳轨道上，后者则应该会建立在木星上，从木星提取燃料来运作。

    光压推进系统的最大优点是价格，因为其太空船不需要携带燃料，燃料费用自然就省下来了。聚光站与光束发射站虽然需要建立与维护成本，后者也可能需要燃料成本，但大量运用下来采用此类推进方式系统在价格上会极具竞争力。即使是需要燃料的光束发射站，若使用相同数量的燃料，其能使太空船增加的速度会高于火箭推进系统所能增加的速度。而这类系统的缺点是其太空船的推力方向会受到限制，且在远距离时运作效率会低落，比如要在冥王星周边运作（不是飞向冥王星）效率会降低，其飞行方向垂直于光束时甚至没有作用，且太空船会有一固定的航道而较难作机动。

    聚光式光压系统的另一个延伸概念，是光帆航线与光帆船团。用大量太阳能光板聚光可以产生一条航线。并不瞄准某艘太空船，而只是对准一个方向造成一条光道。任何有装帆的太空船只要进入这条光道便可以获得动力。此种概念将会产生出光帆航线与光帆船团。太空船在进入光帆航线内可以获得光压动力，离开后则使用自备的火箭引擎推进。这也是一个节省燃料的方法。

    第三种推进形式的另外一个概念便是磁压推进系统。它和光压系统相当类似，不过利用的是太阳的磁场。太阳会放出太阳风，这是一种流动的电浆，电子与质子气体，其速度约为每秒五百公里。因此若用超导体线圈造出一个环状的电磁场帆便可以让太空船乘著太阳风飞行。

    磁帆的组装与操作皆较为简单，只要把圆圈型超导电缆通上电流，它就会受磁力而自动膨胀成完美的圆形。打开电流开关则磁帆便可乘太阳风风推进，不想推进时只要关掉开关即可，不像光帆还需要收帆或改变角度。不过磁帆需要使用大量高温超导体，而这目前仍在研究。磁帆本身的性能也只有一些理论上的探讨。基本上磁帆在接近太阳的地区如近地行星带中效率较好，可能会比光帆好些，端视高温超导体的发展而定，在远地行星则效率降低。再者前面使用微波光束照射的网格状太阳帆若是部份采用高温超导体制造，则同时亦可有磁力推进的效果存在。

    ;