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霍金科幻纸上谈兵光子火箭核电火箭

发布时间:2019-07-11 08:33 来源:未知 编辑:admin

  英国著名物理学家霍金生前宣布,将致力于用地面激光远距离持续作用于航天器的帆板上,使其加速至光速的五分之一,在飞行20年后抵达4光年以外的半人马星座。

  这个想法看起来很科幻。其实此前航天界已在研究三种很“炫”的推进技术,也不比霍金的计划差。

  航天电推进系统也叫电火箭。它不用化学燃料,而是以电能加热或电离推进剂,使其加速喷射而产生推力。

  电推进系统的效率是目前运载火箭所用化学推进系统的10倍,具有高比冲(即消耗单位质量的推进剂所能产生的冲量)、省燃料、振动小等一系列特点。单从省燃料一点来看,电火箭完成同样任务所需的推进剂越少,就越能大幅提高航天器内的其他有效载荷,据测算最多可提高90%左右,是目前世界最先进的航天推进技术。

  2003年9月升空的欧洲首个月球探测器“SMART-1”号,便试用了基于上述原理的太阳能离子发动机。该装置将太阳能转化为电能,再电离惰性气体原子,喷射出高速氙离子流,为探测器提供主要动力。据测算,它利用燃料的效率比普通化学燃料发动机高10倍,在当时创造了连续正常运转2000小时的世界纪录。而去年造访谷神星的美国“黎明”号小行星探测器,装有3台氙离子发动机,可使带电氙离子以14万公里的时速向后喷射,提供强大动力。

  把航天核电源用于电推力器,便有望制成核能电火箭。与目前所用的太阳能电推进系统相比,采用更加稳定充足的核电源,可大大提高航天电推力器的比冲和推力。

  核能电火箭由核反应堆系统、热电转换系统和电-推力转换系统组成。它利用核反应堆运行时产生的热量来加热特定的媒介物质,使其吸收热量后形成高温高速的喷气射流,从而产生推力。或者通过热电转换将核反应产生的能量转换成电能,再用电能加速带电粒子,高速喷射,产生反作用推力。核能电火箭产生的比冲可达当代最好的化学火箭的几倍至几十倍,可节省大量任务时间和成本。

  据测算,传统探测器从地球飞到土星的时间约为7年,改用核能电火箭后,这一旅程可缩短至3年,从地球飞抵太阳系边缘的时间有望从15年降至5年。

  2009年10月,俄联邦航天局宣布,俄将研制核动力飞船,其飞船的核反应堆功率将达兆瓦级,远超上世纪冷战时期造出的千瓦级核动力卫星。该计划预计在2025年完成。

  2015年9月,美国国家航空航天局表示其正在资助10年内制成小型核能电火箭发动机的试验,其飞行试验将选用推力为3.4吨或7.5吨的发动机,计划中的演示验证任务将是飞越月球。

  大约60年前欧洲科学家提出了光子火箭的概念,其实与霍金的设想非常类似。它的发动机依靠光子的定向流产生推力,其主要机构部件是光子源。为了在光子源中获得足够大的光压,需保持超高工作温度。

  具体来说,研究人员设想用反质子与质子作推进剂,利用反质子与质子相遇爆炸的湮灭反应,生成有巨大能量的光子及中微子束,并借用大型凹面反射镜向后方喷射来产生推力。这种湮灭反应所产生的能量密度可高达每千克10的17次方焦耳,比核裂变反应放出的能量密度高3个数量级,在理论上可拥有最高比冲。经计算,几百吨重的光子火箭作火星往返航行时,仅需几十克反质子和质子。目前科学界已开展反质子的生产、捕集和储存研究。

  今年2月,美国加州大学圣巴巴拉分校物理学教授菲利普·鲁宾对媒体介绍了他的光子火箭设计方案——其推进系统用激光束施放出来的光子提供推动力,使火箭飞行速度最高达到光速的四分之一。如此将100公斤的无人航天器送到火星只需3天时间,把载人航天器送到火星只需一个月时间,而现在单程载人赴火星理论上至少需要9个月。

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