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深空探索新时代要有什么样的动力

资讯 来源:中国科技网 2021年05月14日 1103次浏览 扫描二维码

最近,美国国防部高级研究计划局委托三个私人公司:蓝色起源、洛克希德·马丁和通用原子能公司开发用于月球轨道的核裂变火箭。

据澳大利亚《对话》杂志介绍,如果成功的话,可能会开启航天新纪元。但这只是火箭推进技术进展中令人兴奋的方面之一,《对话》杂志介绍了几种其他的航天器推进技术。

化学火箭

航天器的标准推进方式是使用化学火箭,主要有两种类型:固体燃料(如航天飞机上的固体火箭助推器)和液体燃料(如土星V号运载火箭)。

这两种情况都是利用化学反应在燃烧室内产生非常热的高压气体。发动机喷嘴是这种气体的唯一出口,随后气体从发动机喷嘴中膨胀出来,从而产生推力。

化学反应需要燃料,如液氢或铝粉,以及氧化剂如氧气。还有许多其他变量最终也会决定火箭发动机的效率,科学家和工程师一直在寻求从给定的设计中获得更大的推力和燃油效率。

最近,SpaceX公司在对他们的星舰飞船原型进行试飞。这款飞船使用的是“全流量分级燃烧发动机”,它以甲烷为燃料,以氧气为氧化剂。与传统设计相比,这种发动机的燃油效率要高得多,推重比也高得多。

核裂变火箭

原子核由称为质子和中子的亚原子粒子组成。这些决定了元素的质量,质子和中子越多,它的质量就越重。有些原子核是不稳定的,当受到中子轰击时会分裂成几个较小的原子核。这就是核裂变的过程,可释放出巨大的能量。当原子核衰变时,它们也释放出更多的中子,这些中子继续分裂更多的原子,从而产生连锁反应。

在核裂变火箭中,诸如氢推进剂气体,通过核裂变加热至高温,从而在反应堆室内产生高压气体。就像化学火箭一样,气体只能通过火箭喷嘴逸出,从而产生推力。

核裂变火箭预计不会产生将大量有效载荷从地球表面送入太空所需的推力。然而,一旦进入太空,它们就比化学火箭效率高得多。对于给定质量的推进剂,它们可以将航天器加速到更高的速度。

电力推进火箭

类似“离子引擎”这样激动人心的科幻名词已经走进了现实。真实的离子驱动器会产生带电粒子(电离),利用电场对其进行加速,然后用推进器进行发射。推进剂是如氙气一样容易带电的气体。

当带电的氙原子加速离开推进器时,它们会将极少量的动量(质量和速度的乘积)传递给航天器,从而提供温和的推力。虽然速度较慢,但离子驱动是所有航天器推进方法中最省燃料的方法之一,因此可以让火箭的太空之旅走得更远。离子驱动器通常用于姿态控制,科学家也已经考虑利用其帮助旧卫星脱轨。

目前的离子发动机是由太阳能电池供电的,需要的推进剂非常少。它们已经用于欧洲航天局的SMART-1登月任务和前往水星的“贝皮可伦坡”号航天器的探测任务。

美国国家航空航天局(NASA)目前正在为月球任务开发一种大功率电力推进系统,该推进器在未来的深空探测中“至关重要”。

太阳帆推进技术

火箭的推进通常需要推进剂,但有一种更“绿色”的方法,仅依靠来自太阳本身的光就能前进。

帆依赖于动量守恒的物理性质。在地球上,我们习惯于把这种动量看作是航行时空气颗粒吹入船板的动态压力,推动船只前进。光是由光子组成的,光子没有质量,但它们有动量,可以将动量传递到帆上。由于单个光子的能量非常小,任何明显的加速度都需尺寸非常大的帆。

速度的增加还取决于离太阳有多远。在地球上,从太阳光接收的能量约为每平方米1.3千瓦。如果我们有一个足球场大小的帆,相当于9.3兆瓦,即使是很轻的物体也能提供非常低的加速度。

成功飞越金星的日本伊卡洛斯航天器和目前在地球轨道上的美国行星协会“光帆2号”已经证明太阳帆的实力。

提高效率和减小风帆尺寸的一种方法是使用激光推动航天器前进。激光产生非常强烈的光子光束,可以直接照射到帆上,从而提供更高的加速度。

以上的一些技术,如核裂变火箭的发展可能会引起部分人的担忧。然而,随着私营公司和国家航天机构越来越多地致力于太空探索,这些替代的推进方式将变得更为主流,并且也有可能彻底改变我们新兴的太空文明。


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