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深空探索新時代要有什么樣的動力

2021年05月17日來源:科技日報

1967年,核火箭發動機被運送到內華達州杰克斯普拉茨的試驗臺。

圖片來源:《對話》雜志網站截圖

美國國家航空航天局深空1號的離子推進器。

圖片來源:《對話》雜志網站截圖

成功飛越金星的日本伊卡洛斯航天器太陽帆。

圖片來源:《對話》雜志網站截圖

最近,美國國防部高級研究計劃局委托三個私人公司:藍色起源、洛克希德·馬丁和通用原子能公司開發用于月球軌道的核裂變火箭。

據澳大利亞《對話》雜志介紹,如果成功的話,可能會開啟航天新紀元。但這只是火箭推進技術進展中令人興奮的方面之一,《對話》雜志介紹了幾種其他的航天器推進技術。

化學火箭

航天器的標準推進方式是使用化學火箭,主要有兩種類型:固體燃料(如航天飛機上的固體火箭助推器)和液體燃料(如土星V號運載火箭)。

這兩種情況都是利用化學反應在燃燒室內產生非常熱的高壓氣體。發動機噴嘴是這種氣體的唯一出口,隨后氣體從發動機噴嘴中膨脹出來,從而產生推力。

化學反應需要燃料,如液氫或鋁粉,以及氧化劑如氧氣。還有許多其他變量最終也會決定火箭發動機的效率,科學家和工程師一直在尋求從給定的設計中獲得更大的推力和燃油效率。

最近,SpaceX公司在對他們的星艦飛船原型進行試飛。這款飛船使用的是“全流量分級燃燒發動機”,它以甲烷為燃料,以氧氣為氧化劑。與傳統設計相比,這種發動機的燃油效率要高得多,推重比也高得多。

核裂變火箭

原子核由稱為質子和中子的亞原子粒子組成。這些決定了元素的質量,質子和中子越多,它的質量就越重。有些原子核是不穩定的,當受到中子轟擊時會分裂成幾個較小的原子核。這就是核裂變的過程,可釋放出巨大的能量。當原子核衰變時,它們也釋放出更多的中子,這些中子繼續分裂更多的原子,從而產生連鎖反應。

在核裂變火箭中,諸如氫推進劑氣體,通過核裂變加熱至高溫,從而在反應堆室內產生高壓氣體。就像化學火箭一樣,氣體只能通過火箭噴嘴逸出,從而產生推力。

核裂變火箭預計不會產生將大量有效載荷從地球表面送入太空所需的推力。然而,一旦進入太空,它們就比化學火箭效率高得多。對于給定質量的推進劑,它們可以將航天器加速到更高的速度。

電力推進火箭

類似“離子引擎”這樣激動人心的科幻名詞已經走進了現實。真實的離子驅動器會產生帶電粒子(電離),利用電場對其進行加速,然后用推進器進行發射。推進劑是如氙氣一樣容易帶電的氣體。

當帶電的氙原子加速離開推進器時,它們會將極少量的動量(質量和速度的乘積)傳遞給航天器,從而提供溫和的推力。雖然速度較慢,但離子驅動是所有航天器推進方法中最省燃料的方法之一,因此可以讓火箭的太空之旅走得更遠。離子驅動器通常用于姿態控制,科學家也已經考慮利用其幫助舊衛星脫軌。

目前的離子發動機是由太陽能電池供電的,需要的推進劑非常少。它們已經用于歐洲航天局的SMART-1登月任務和前往水星的“貝皮可倫坡”號航天器的探測任務。

美國國家航空航天局(NASA)目前正在為月球任務開發一種大功率電力推進系統,該推進器在未來的深空探測中“至關重要”。

太陽帆推進技術

火箭的推進通常需要推進劑,但有一種更“綠色”的方法,僅依靠來自太陽本身的光就能前進。

帆依賴于動量守恒的物理性質。在地球上,我們習慣于把這種動量看作是航行時空氣顆粒吹入船板的動態壓力,推動船只前進。光是由光子組成的,光子沒有質量,但它們有動量,可以將動量傳遞到帆上。由于單個光子的能量非常小,任何明顯的加速度都需尺寸非常大的帆。

速度的增加還取決于離太陽有多遠。在地球上,從太陽光接收的能量約為每平方米1.3千瓦。如果我們有一個足球場大小的帆,相當于9.3兆瓦,即使是很輕的物體也能提供非常低的加速度。

成功飛越金星的日本伊卡洛斯航天器和目前在地球軌道上的美國行星協會“光帆2號”已經證明太陽帆的實力。

提高效率和減小風帆尺寸的一種方法是使用激光推動航天器前進。激光產生非常強烈的光子光束,可以直接照射到帆上,從而提供更高的加速度。

以上的一些技術,如核裂變火箭的發展可能會引起部分人的擔憂。然而,隨著私營公司和國家航天機構越來越多地致力于太空探索,這些替代的推進方式將變得更為主流,并且也有可能徹底改變我們新興的太空文明。

實習記者 張佳欣

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