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深度:霍金激光加速以外還有哪些“超炫”的推進技術(shù)

星之球科技 來源:新華社2016-04-17 我要評論(0 )   

英國著名物理學(xué)家霍金日前宣布,將致力于用地面激光遠距離持續(xù)作用于航天器的帆板上,使其加速至光速的五分之一,在飛行20年后抵達4光年以外的半人馬星座。

         英國著名物理學(xué)家霍金日前宣布,將致力于用地面激光遠距離持續(xù)作用于航天器的帆板上,使其加速至光速的五分之一,在飛行20年后抵達4光年以外的半人馬星座。
  這個想法看起來很科幻。其實此前航天界已在研究三種很“炫”的推進技術(shù),也不比霍金的計劃差。
  小巧靈便的電推進
  航天電推進系統(tǒng)也叫電火箭。它不用化學(xué)燃料,而是以電能加熱或電離推進劑,使其加速噴射而產(chǎn)生推力。
  電推進系統(tǒng)的效率是目前運載火箭所用化學(xué)推進系統(tǒng)的10倍,具有高比沖(即消耗單位質(zhì)量的推進劑所能產(chǎn)生的沖量)、省燃料、振動小等一系列特點。單從省燃料一點來看,電火箭完成同樣任務(wù)所需的推進劑越少,就越能大幅提高航天器內(nèi)的其他有效載荷,據(jù)測算最多可提高90%左右,是目前世界最先進的航天推進技術(shù)。
  2003年9月升空的歐洲首個月球探測器“SMART-1”號,便試用了基于上述原理的太陽能離子發(fā)動機。該裝置將太陽能轉(zhuǎn)化為電能,再電離惰性氣體原子,噴射出高速氙離子流,為探測器提供主要動力。據(jù)測算,它利用燃料的效率比普通化學(xué)燃料發(fā)動機高10倍,在當(dāng)時創(chuàng)造了連續(xù)正常運轉(zhuǎn)2000小時的世界紀錄。而去年造訪谷神星的美國“黎明”號小行星探測器,裝有3臺氙離子發(fā)動機,可使帶電氙離子以14萬公里的時速向后噴射,提供強大動力。
  呼之欲出的核電火箭
  把航天核電源用于電推力器,便有望制成核能電火箭。與目前所用的太陽能電推進系統(tǒng)相比,采用更加穩(wěn)定充足的核電源,可大大提高航天電推力器的比沖和推力。
  核能電火箭由核反應(yīng)堆系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和電-推力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。它利用核反應(yīng)堆運行時產(chǎn)生的熱量來加熱特定的媒介物質(zhì),使其吸收熱量后形成高溫高速的噴氣射流,從而產(chǎn)生推力?;蛘咄ㄟ^熱電轉(zhuǎn)換將核反應(yīng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能,再用電能加速帶電粒子,高速噴射,產(chǎn)生反作用推力。核能電火箭產(chǎn)生的比沖可達當(dāng)代最好的化學(xué)火箭的幾倍至幾十倍,可節(jié)省大量任務(wù)時間和成本。
  據(jù)測算,傳統(tǒng)探測器從地球飛到土星的時間約為7年,改用核能電火箭后,這一旅程可縮短至3年,從地球飛抵太陽系邊緣的時間有望從15年降至5年。
  2009年10月,俄聯(lián)邦航天局宣布,俄將研制核動力飛船,其飛船的核反應(yīng)堆功率將達兆瓦級,遠超上世紀冷戰(zhàn)時期造出的千瓦級核動力衛(wèi)星。該計劃預(yù)計在2025年完成。
  2015年9月,美國航天局表示其正在資助10年內(nèi)制成小型核能電火箭發(fā)動機的試驗,其飛行試驗將選用推力為3.4噸或7.5噸的發(fā)動機,計劃中的演示驗證任務(wù)將是飛越月球。
  “紙上談兵”的光子火箭
  大約60年前歐洲科學(xué)家提出了光子火箭的概念,其實與霍金的設(shè)想非常類似。它的發(fā)動機依靠光子的定向流產(chǎn)生推力,其主要機構(gòu)部件是光子源。為了在光子源中獲得足夠大的光壓,需保持超高工作溫度。
  具體來說,研究人員設(shè)想用反質(zhì)子與質(zhì)子作推進劑,利用反質(zhì)子與質(zhì)子相遇爆炸的湮滅反應(yīng),生成有巨大能量的光子及中微子束,并借用大型凹面反射鏡向后方噴射來產(chǎn)生推力。這種湮滅反應(yīng)所產(chǎn)生的能量密度可高達每千克10的17次方焦耳,比核裂變反應(yīng)放出的能量密度高3個數(shù)量級,在理論上可擁有最高比沖。經(jīng)計算,幾百噸重的光子火箭作火星往返航行時,僅需幾十克反質(zhì)子和質(zhì)子。目前科學(xué)界已開展反質(zhì)子的生產(chǎn)、捕集和儲存研究。
  今年2月,美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校物理學(xué)教授菲利普·魯賓對媒體介紹了他的光子火箭設(shè)計方案——其推進系統(tǒng)用激光束施放出來的光子提供推動力,使火箭飛行速度最高達到光速的四分之一。如此將100公斤的無人航天器送到火星只需3天時間,把載人航天器送到火星只需一個月時間,而現(xiàn)在單程載人赴火星理論上至少需要9個月。
  當(dāng)然,這一想法還僅停留在理論階段。

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