书城科普读物科学奥秘丛书-航空航天工程
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第14章 未来航天一瞥(2)

1987年,加拿大科学家在渥太华进行了第一次利用微波作飞行动力的微波束传送电能试验。他们用碟形天线传输微波波束。在试验中,发现在波束的聚焦、目标的跟踪方面存在一定的困难。

日本京都大学的科学家们曾进行过类似的试验。不过,他们对加拿大的微波波束传输技术作了改进,采用相控阵天线技术。利用相控阵天线传送微波波束,聚焦精确,跟踪目标快速,利于实现计算机控制。

日本人试验的是一种无机载动力源,长度为1.6米的模型飞机。飞机上既无机载汽油,也无电池,而是靠接收地面的微波能量作为动力,收到的微波能量被转换成电力,驱动飞机螺浆转动,获得飞行动力。这一试验的目的,不是想研究开发一种不带燃料箱的飞机,而是试验微波传能技术,用于未来空间太阳能电站的电力传送。如果这种模型飞机传能试验进展顺利,日本的科学家在1993年把试验搬到高度为220千米的人造卫星上进行,利用相控阵天线及发射机给同时发射升空的另一颗人造卫星传送微波能量。

科学家们预测,不要很久,能产生动力的空间太阳能电站作为实用能源工厂,将为空间工厂提供电力,或者为轨道上的载人飞船和航天站提供能源。

再进一步的发展,将会把电力送往地球。

据科学家分析,空间太阳能电站的最佳容量是5到10兆瓦,悬挂于地球赤道上空36000千米高度的对地静止电站的质量为5万吨至10万吨。

最初步的估算表明,空间太阳能电站每产生1千瓦电量的造价会比核电站同样功率的造价高出50%至100%。比水电站高出100%至150%,比热电站高300%至500%。但是,由于使用甚高频微波辐射传输到地球,微波能量实际上不会被大气所吸收,地面接收站接收到的微波能量转变为电能供给用户,其转换效率可高达90%;更由于空间太阳能电站不消耗地球资源,因此工作约5至7年后,其利润将比热电站和核电站高。

建造空间太阳能电站的另一个关键问题是运输。计算表明,在5年内回收这样一个电站的费用,它每千克重量的成本不应超过150至200美元。

此外,运载火箭应有非常大的推力,一次能将500吨的有效载荷送入轨道。

在这样的情况下,总计只需100至200次的发射就可以了,所有货物在3至5年内运输到位。

到目前为止,还没有这种大推力运载火箭能一次将500吨的有效载荷直接送入同步轨道。现有最大推力的运载火箭也只能将100多吨的有效载荷送至地球近地空间。因此,要在3至5年内将空间太阳能电站的建设材料运送到位,还必须研制这种大推力火箭。

因此,怎样大规模开发与利用空间太阳能,还处在设想阶段,还需要若干年才能实现。

科学家们相信,现在动手建立一个具有发电容量为15万千瓦的空间太阳能原型电站的计划是可行的。在这之后,就可能建造巨大的电站。随着时间推移,太空太阳能电站还应能帮助解决行星的电力供应。

建造月球基地的可能性

阿波罗登月计划完成后,经历了20多年的沉寂,人们又在谈论开发月球的事情了,很多科学家还提出建立月球基地的建议。1989年7月美国总统布什还曾宣布要把月球作为人类飞往火星的基地,并打算于2005年正式破土动工。

空间技术的飞速发展,导致人类外空活动的日益扩大,已经把建造大型航天站、太阳能电站、太空工厂和空间居民点的任务放到了科学家的面前。

但是,要实现这些目标,需要大批原材料,如果从地球向宇宙空间运送,费用昂贵,终非长久之计。因此,寻找地球外的材料来源,例如从月球和小行星获取材料以降低它们的运输费用,就成为发展空间工业生产,建造航天站和太空居民点的关键。

在阿波罗飞船登月的多次航行中,航天员曾从月球带回许多月球岩石样品和尘土。经过研究表明,它们主要由百分之四十的氧,百分之三十的硅和百分之二十到三十的各种金属元素如铝、钛、锰、铁等组成。金属元素经加工后的基本构件可用于制造各大型航天站;硅是玻璃、陶瓷与半导体的基本材料,可用于制造光学和电子元件;氧则供给居民需要。因此,月球确实是地球之外的资源宝库与材料来源。月球的低重力环境又为便宜运送月球材料到空间提供了保证。月球上的重力,仅仅是地球重力的六分之一。把材料运往空间所需的脱离速度很小,只有每秒2.31千米。再加上月球上无空气,不存在空气阻力,所以从月球射离物体比在地球射离容易许多。这就是科学家们提出开发月球,建立月球基地的主要原因。

人类要开发月球并从它获取丰富的资源,还得先建造月球基地;作为先导,很可能不是直接建造为开发资源的月球基地,而是建造月球宇航基地,用以向宇宙空间射离物体以及为人类飞往火星作准备。建设这些基地的材料何处来?如果是从地球运来,其成本是非常高的。

科学家预计,在月球上建造一个宇航循环基地需1000吨水泥、330吨水和3600吨钢筋,若将这些材料从地面运往月球,每吨需耗资5000万美元,显然成本太昂贵了。材料学家对月球岩样进行分析和试验后认为,只要把氢带上月球就可把月球上的岩石变为最理想的建筑材料。月球表面钛铁含量极为丰富,这些矿物被加热800℃后与氢结合会产生铁、钛、氧气和蒸汽。在此过程中产生人类生存所必需的水和氧气。月球岩石可精炼成轻型和坚固的水泥,剩下的铁矿可用来冶炼钢筋。这种月球岩石同其他小行星的组成物质相似,已经在茫茫宇宙中存在了许多亿年,不但能抵挡太阳射线对其粒子的辐射,还能经受极大的温差考验。材料科学家利用航天员带回地面的月球岩石样品制成了一块目前世界上无法同它相比的最强硬、最坚固、最富弹性的混凝土。这种混凝土是唯一能在气候异常的月球屹立的建筑材料。在月球上生产每千克这种品质的混凝土只需氢3克,而且只要具有总重量约200吨的机械钻探设备就可投入月球物质的挖掘。化学科学家设计了许多从月球岩土中提取纯净元素的方案,包括利用太阳能加热月球物质的物质分离法以及利用氢氟酸之类的试剂从氧化物中取得氧、硅和金属的化学分离法,每个加工厂设计成能循环使用试剂和废料的齐全生产单位。一个只有1吨重的小小的试验性化工厂,每年可将十几吨月球物质加工成氧、金属和玻璃。因此,科学家认为,建设月球基地的基本材料不必从地球运去,可以就地取材。待月球基地建成后,可以大规模开发月球,建造月球工厂,并把大批材料通过宇航基地射离月球,输往地球轨道和太阳系空间,用以建造各种大规模航天站,并为太空工业提供原料,为太空居民城镇建设供应建材。

月球上的尘土确实有很大的用途,用它还可烧制房屋的砖、瓦和管道;利用尘土覆盖航天员居住点和月球实验室,可使他们免受宇宙射线、太阳耀斑的侵害,近2米厚的月球尘土可使航天员获得与地球相同的对宇宙射线的防护机制。开发月球,建设月球基地不仅是可能的,而且是人类在地球外开拓疆域必然要做的一项工作。

开发月球还能使它成为人类未来从事宇宙空间科学研究的前哨阵地。在那里,科学家不仅能够直接研究月球的种种特性及其演化过程,而且也可能是唯一揭开地球早期历史奥秘的地方。例如,研究它的矿物构造过程,可以和地球比较。利用月球无空气、低重力、自转速度慢和环境幽静的特点,有可能在物理学、化学、生物学和其他科学方面进行唯一性实验;在月球上进行天文学与天体物理的研究比在地球上更具优越性。对人类社会来说,开发月球会让它们显得重要起来。