1903年，俄国学者齐奥尔科夫斯基发表了名为《利用喷气式工具研究宇宙》的论文，指出火箭是达到星际空间的唯一运输工具，阐明了火箭飞行理论，提出了液体火箭发动机的概念和原理图，并建立了火箭最大理想飞行速度公式----齐奥尔科夫斯基公式，即火箭方程，为现代火箭推进技术的发展奠定了理论基础。1926年，美国人戈达德研制成功了使用液氧和煤油作为推进剂的液体火箭发动机，人类进入了现代火箭时代。

采用太阳能电力推进的航天器

目前，人类用于航天发射的火箭主要都采用液体或者固体推进剂，也就是所谓的化学推进。但是化学推进剂的能量密度低，使得推进系统需要携带大量推进剂才能满足发射需求。从整个火箭的质量来看，一般情况下火箭所携带的推进剂要占到总质量的90%以上，而有效载荷的质量只占1%～1.5%。这就导致现代化学推进火箭的发射成本高昂，任务准备周期长，近地轨道的入轨成本在10000美元/千克～20000美元/千克；同步轨道的入轨成本在60000美元/千克～120000美元/千克。而且随着商业航天发射业务的剧增，对于有效载荷能力、发射成本和发射周期都有了新的要求。

同样因为化学推进剂的能量密度低，所以化学推进火箭的喷气速度已接近极限，比冲一般在200s～500s，必须有2级或者3级火箭持续加速才能将有效载荷送入轨道。而人类在未来设想的深空星际探测任务需要火箭的比冲达到10000s～3000000s，这将大大超过现有化学推进的性能极限，因此必须开始发展新型的航天推进技术。

美国对新的航天推进技术进行了大量的研究，此图为其概念设想图之一

传统的化学推进火箭虽然在功能性、安全性和可靠性上还能满足目前的发射任务需求，但是未来的先进航天推进技术将能从根本上降低有效载荷入轨成本，减轻航天器用于轨道维持和轨道机动的推进系统质量，缩短近地轨道向同步轨道转移的时间，从而增强人类的太空探索能力。相对传统的化学推进技术，我们一般把采用新能源或者新机理（不同于传统化学推进火箭）的航天推进技术称为先进航天推进技术，主要包括先进化学推进、激光推进、微波推进、电推进和帆推进等航天推进技术。

在国际上，以美国为代表的航天强国已经按照“战略规划-研究开发-型号应用”三步曲下大力发展先进航天推进技术，为更远的需求和战略规划进行技术储备。目前，许多航天大国都在先进航天推进技术方面展开了大量的研究开发工作。尤其是美国空军“2025年计划”、美军航天司令部“2020年长期规划”都将发展先进航天推进技术放在很重要的位置。

太阳能电力推进装置的尾部特写

从研发进展上看，NASA目前处在领先位置，特别在对包括激光推进和微波推进的定向能推进技术方面，NASA进行了大量的基础研究和技术开发，已经较为成熟，预计在2020年将实现激光推进技术的实用化；在高能量密度的先进化学推进技术方面，美国航空航天局目前已经开发出二硝基胺铵盐（ADN）、二硝基铵钾盐与硝酸铵的共结晶体（KDN-AN）、六硝基六氮杂多环硝胺（CL-20）等多种高能氧化剂和推进剂，可以用于未来军事航天应用。此外，20世纪60年代就开始研究的电推进技术目前已经可以实用化，美国、俄罗斯、ESA欧洲太空局、日本等都在加强研究，采用电推进技术的航天器已经发射入轨了近200颗，但是由于电推进的特点是比冲高、推力小、寿命长，因此主要用于航天器的姿态控制、轨道修正和轨道维持等任务。

采用光压推进原理的帆推进技术的最大优点是不需要任何动力，只要太阳不熄灭，就可以提供持续的动力来加速航天器。日本已经在太空部署了两个太阳帆进行试验，虽然目前还有较多关键技术需要解决，但是已经向人们展示了帆推进技术的光明前景。

（本文来源：科普中国）

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