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美国加速研制超快深空火箭发动机(3则)

发布时间:2019-07-04 10:02 来源:未知 编辑:admin

  中国国防科技信息网2015年4月9日报道,美国国家航空航天局与多家企业合作研发更加先进的航天推进技术,包括研制一种新的能在40天内将航天员送至火星的发动机。

  艾德·阿斯特拉火箭公司是NASA下一代航天技术计划的12个合作伙伴之一,该公司的可变比冲等离子体发动机能在39天时间内将航天员送至火星。

  这种发动机在几年前引起关注,被认为将火星之旅的时间从数月缩短至数周。即使其需要NASA并不具有优势的核能源,NASA仍在2013年阿斯特拉公司VASIMR试验成功后,考虑采用这种发动机。

  阿斯特拉火箭公司首席执行官在一项声明中指出:“我们对与NASA合作激动不已,与NASA共同将该技术推向最后成熟令人倍感自豪。我们期望成功合作,使VASIMR技术具备飞行成熟度。”

  VASIMR发动机VX-200样机有潜力用于下一次火星任务。VX-200-SS样机验证试验取得成功,能够连续工作100小时以上。在为期3年的时间内,NASA将给予阿斯特拉火箭公司1000万美元的资金,全面研制升级版VASIMR发动机。NASA称波音、洛马、Dynetics等其他商业伙伴将研究并验证其他用于火星探测的先进推进技术。

  美国宇航局研制的先进离子推进火箭发动机可用于进行深空探索任务。这台发动机已经连续运转5年半,创造了一项新的世界纪录。它的测试时间是所有太空推进系统验证计划中最长的

  这台发动机已经连续运转了超过4.8万个小时。它是一种太阳能电动推进器,利用航天器的太阳能电池板产生的电量加速氙推进剂,速度可达到每小时9万英里(约合每小时14万公里)

  这种太阳能电动推进器利用磁场加速氙离子产生推进力,所用能量由太阳能电池板提供。这种发动机产生的推进力虽然无法与化学燃料火箭相提并论,但由于效率更高,更适于深空探索任务

  目前,美国宇航局正在克利夫兰的格伦研究中心实施进化氙气推进器计划(以下简称NEXT),研制这种推进器便是其中的一部分。NEXT计划旨在研制新一代电动推进系统,包括功率处理、推进剂管理和其他组件。凭借连续运转超过4.8万个小时,这台发动机创造了一项新纪录。不久后,这项已经持续数年的测试便将画上一个句号。

  NEXT项目首席研究员迈克尔-帕特森表示:“我们将在这个月底主动终止这项测试。这台推进器一直满负荷运转,寿命和性能已经超出了所有预想中的科学任务的要求。”这种高效发动机是进行深空探索任务的完美之选。它是一种太阳能电动推进器,利用航天器的太阳能电池板产生的电量加速氙推进剂,速度可达到每小时9万英里(约合每小时14万公里)。这种推进方式的效能远远超过传统的化学燃料火箭发动机。

  在格伦研究中心的一个真空测试室进行的耐久性测试过程中,这台发动机消耗了大约870公斤氙推进剂。这一数量听起来似乎很多,但所产生的总冲量却相当于1万多公斤常规火箭推进剂。这台接受测试的发动机的核心电离室在格伦研究中心制造,离子加速总成由加利福尼亚州的航空喷气发动机-洛克达因公司设计制造。

  洛克达因公司高级太空计划部门副总裁朱利-范-科莱克表示:“美国宇航局研制了新一代大功率大阳能电动推进系统,将提高我们国家未来实施科学研究和人类太空探索任务的能力。”宇航局的小行星探索计划也将采用这种推进系统。这项计划旨在搜寻对地球构成潜在威胁的小行星,捕获其中威胁最大的小行星或者改变其飞行轨道。

  火箭发动机是自带能源和工质,不使用外界介质(空气)工作的喷气发动机。它是火箭、导弹和航天运载器使用的主发动机。按发动机能源,分为化学、核、电、光子火箭发动机等。

  化学火箭发动机是利用火箭推进剂在燃烧室中将化学能转化为热能、生成高温高压燃气、经喷管膨胀加速喷出而产生推力的发动机。化学火箭发动机按推进剂形态分为液体燃料火箭发动机、固体燃料火箭发动机和固液混合火箭发动机。液体火箭发动机的优点是比冲高,发动机工作时间长,可多次启动,适用范围广,多用于运载火箭、航天器和导弹的推进系统。固体火箭发动机的优点是结构简单,贮存和使用维护方便,多用于各种战略导弹和战术导弹的推进系统。固液混合火箭发动机兼有液体和固体火箭发动机的特点,多用于多弹头洲际导弹和各种靶机。

  核火箭发动机是利用核反应或放射性物质衰变放出的能量加热工质,工质经喷管膨胀高速喷出而产生推力的火箭发动机。按核反应方式,核火箭发动机分为核裂变型、核聚变型和放射性同位素衰变型。核火箭发动机的优点是比冲高,工作时间长,可作航天器的动力。未来将用作星际航行的发动机。

  电火箭发动机是利用电能加速工质的火箭发动机,分为电热、静电、电磁火箭发动机。电火箭发动机的优点是比冲很高、工作时间很长、推力很小,多用于航天器作轨道修正、姿态控制等。高比冲、长寿命的太阳能电火箭发动机是高轨道卫星和行星探测器的主发动机。

  光子火箭发动机是利用电磁辐射量子(光子)定向流产生强大推力的火箭发动机,具有最高效能,是目前仍在积极探索中的新型火箭发动机。

  等离子发动机是电推进系统的一种,并已经在国内外应用相当成熟,其应用的主要介质就是等离子体(高度电离了的气体)。

  航天器的推进系统分为化学推进和电推进两种系统,中国几乎都是使用的化学推进系统。但是电推进比化学推进有以下的优点:

  1、电推进不受化学推进剂可释放化学能大小的限制。经验表明一般化学推进剂的能量为70MJ/kg。电推进不受这些限制,它理论上可以达到任何能量。

  由于电推进比化学推进的比冲大得多,所以它所需的推进剂将会少得多,从而增加卫星的有效载荷,提高卫星性能和效益。但是电推进也有它的缺点,比如它仅能应用于小推力系统。低推力、高比冲的性质使得电推进主要用于位置保持、重定位和姿态控制。对一些在轨推进的任务,电推进有明显的优势。它可以获得比化学推进更准确的姿态控制。对一些重定位的任务,重定位的速度会更快并且能量消耗也更少。

  30年前,在哥斯达黎加出生,有1/4华人血统的张福林还在麻省理工大学攻读等离子物理学博士学位时就这么认为。到了2009年6月,作为前航天员兼物理学家,Ad Astra火箭公司创始人、首席设计师,张福林带领着团队成功测试了VASIMR的第一节引擎后,对这一观点更加坚定。

  石墨烯在光作用下的运动现象,这一发现可作为新的太空动力来源,碳世纪发现了这项重大应用发现,并成功研制了该项装置,充分展示了石墨烯材料火箭的电推动作用,使电推动不再受化学试剂的限制。

  在科幻小说中,飞行器总能为星际旅行的全程提供动力。但在现实中,火箭推进器的发动机技术,根本无法实现这一点。

  相对于裸露在外的推进剂储箱,化学火箭发动机看上去很小,但它的胃口很大。“吃得多,干活的效率却不高。”张福林说。这种发动机吞噬掉的海量能源,只在提供短期动力方面有效——储存的燃料很快用完,推进器马上被当成垃圾扔掉。化学火箭的大部分燃料被用来摆脱地球引力,剩余的一点则被用来推动火箭的“太空滑行”。火箭飞往目的地,仅仅是依靠惯性。对于星际飞行来说,这种引擎显然力不从心。

  “土星5号”就是典型代表。它的第一级装有2075吨液氧煤油推进剂。一旦发动机点火,它可以在2分34秒内全部“喝”完这些“饮料”。高温气体以2900米/秒的速度喷射,却仅仅够将47吨的有效载荷送上月球。在全部能够产生的3500吨推力中,很大一部分被用来“托”起火箭自身和2000多吨燃料。所以它的“比冲量”并不高,只有300多秒,表明了它的推进效率的低下。这就是为什么要将一个质量很小的人送上太空,却必须使用一枚巨大火箭的原因。

  等离子发动机(俗称“离子推进器”)采取了一种和化学火箭完全不同的设计思路。它使用洛伦兹力让带电原子或离子加速通过磁场,来反向驱动航天器,和粒子加速器与轨道炮都是同样的原理。“等离子火箭在一定时间内提供的推力相对较少,然后一旦进入太空,它们就会像有顺风助阵的帆船,逐渐加速飞行,直至速度超过化学火箭。”张福林说。

  实际上,迄今已有多个太空探测任务采用等离子发动机,如美国宇航局探测小行星的“黎明号”探测器和日本探测彗星的“隼鸟号”探测器,而欧洲空间局撞击月球的SMART-1探测器的目的之一,就是验证如何利用离子推进技术把未来的探测器送入绕水星运行的轨道。

  这些已经实用的离子发动机都很迷你,多属于辅助发动机,推力和加速度都很小,要使航天器达到预定的飞行速度,用时极长—SMART-1的等离子体发动机提供的加速度只有0.2毫米/秒方,推力只相当于一张纸对于手掌的压力。这样的发动机,带上一只蚂蚁都无法脱离地球的重力场。

  但它们在太空中的表现能够弥补这个缺陷。优越的比冲量,也就是能用更少的燃料提供更多的动力,使它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。“1998年发射的深空1号,由德尔塔火箭送上太空,然后由离子发动机推动。它的离子发动机产生0.09牛顿的推力,比冲量相当于液体火箭的10倍。每天消耗100克氙推进剂,在发动机全速运转的情况下,每过一天时速就增加25~32米。它最终的工作时间超过14000小时,超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。”张福林介绍道。

  正是这一原因,使等离子发动机成为航天界新的宠儿。等离子发动机中的新秀VASIMR被美国航空航天研究所列为2009年十大航天新兴项目。NASA的新任掌门人查尔斯·博尔登也非常看好VASIMR,NASA向Ad Astra 火箭公司提供经费,希望他们能够完成自己的承诺——让VASIMR在2012年或2013年能够安装到国际空间站上进行点火测试。

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