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        星際引擎初探

        2021-02-08 16:52:58李偉
        檢察風(fēng)云 2021年23期
        關(guān)鍵詞:引擎

        李偉

        隨著載人航天和深空探索的計(jì)劃不斷推進(jìn),越來越多的人開始憧憬星際旅行——搭乘太空飛行器飛出太陽系。這類飛行器無疑需要強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)——星際引擎。目前有兩種概念型航天動(dòng)力系統(tǒng)具備很大的研發(fā)和應(yīng)用潛力,且完全處于現(xiàn)有的科學(xué)框架之內(nèi),無須依賴新的物理理論或奇異的新物質(zhì)。

        激光灼燒金屬產(chǎn)生推力

        據(jù)美國《金屬研究》雜志報(bào)道,各國航天工業(yè)的研究證實(shí),太陽能不足以推動(dòng)未來用于星際探索和旅行的大型太空飛行器,新型推進(jìn)技術(shù)的開發(fā)越來越受到重視。其中,利用激光束灼燒物質(zhì)推動(dòng)飛行器,是最新的研究方向。這雖然聽上去充滿科幻色彩,但具備一定的可行性。

        激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)的原理是利用高能激光灼燒物質(zhì)生成氣體,氣體膨脹產(chǎn)生推力,推動(dòng)飛行器前進(jìn)。該技術(shù)具有推力大、成本低等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于衛(wèi)星發(fā)射、太空軌道碎片清除、衛(wèi)星姿態(tài)和飛行軌道控制等領(lǐng)域。如果應(yīng)用于衛(wèi)星發(fā)射方面,這種技術(shù)能夠使發(fā)射成本降低到每千克數(shù)百美元,低于目前每千克數(shù)千美元的發(fā)射成本。

        NASA設(shè)想的激光驅(qū)動(dòng)型火箭

        俄羅斯研究用激光推動(dòng)帆狀裝置驅(qū)動(dòng)飛行器

        據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報(bào)道,美國航空航天局(NASA)設(shè)有一間激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,正在測(cè)試這種激光灼燒驅(qū)動(dòng)技術(shù),即利用強(qiáng)大的激光束灼燒飛行器尾部裝載的燃料,產(chǎn)生高能氣體提供推力。另據(jù)俄羅斯《觀點(diǎn)報(bào)》報(bào)道,俄羅斯航天科技部門也在研究類似的技術(shù):用激光束灼燒物質(zhì),生成高壓氣體,推動(dòng)太空飛行器上安裝的帆狀裝置,作為前進(jìn)的動(dòng)力。

        《金屬研究》指出,激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)的關(guān)鍵是找到一種合適的驅(qū)動(dòng)燃料,金屬被認(rèn)為是理想的選擇,因?yàn)樯倭拷饘俳?jīng)激光灼燒后就可以產(chǎn)生強(qiáng)大的推力。不過,選用何種金屬要經(jīng)過廣泛的論證和試驗(yàn)。

        NASA的激光驅(qū)動(dòng)研發(fā)工程已經(jīng)選中了一種金屬——釷,它具有微弱的放射性,經(jīng)過激光照射很容易發(fā)熱,繼而在一個(gè)閉合空間中產(chǎn)生氣體。這種氣體可為引擎提供動(dòng)力?;蛟S有人擔(dān)心釷的安全性,但研究表明,鋁箔可阻擋釷的輻射外泄。據(jù)估算,約8克釷就足以為一輛高速行駛的跑車提供動(dòng)力,并且可以維持它行駛10萬公里??梢姡@種金屬具備驅(qū)動(dòng)太空飛行器的潛力。

        與現(xiàn)有的火箭推進(jìn)系統(tǒng)以及核動(dòng)力系統(tǒng)相比,激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在體積和重量上都擁有一定的優(yōu)勢(shì)。由于金屬燃料所占的空間比較小,激光驅(qū)動(dòng)的太空飛行器將擁有可觀的載荷。

        激光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是未來太空動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。各國的航天機(jī)構(gòu)可能先開發(fā)一款小型、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可重復(fù)使用的激光驅(qū)動(dòng)火箭,以測(cè)試其有效性。一旦獲得成功,就可以開發(fā)大型激光驅(qū)動(dòng)飛行器。

        不過,激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)面臨重大挑戰(zhàn)。首先,激光束必須精確聚焦于飛行器的驅(qū)動(dòng)裝置,不能有絲毫偏差,否則飛行器就會(huì)因?yàn)榈貌坏阶銐虻膭?dòng)力而失速;其次,激光束發(fā)射裝置的功率必須“超級(jí)強(qiáng)大”,也就是說,要在超大功率激光發(fā)射器方面取得技術(shù)突破。

        核動(dòng)力液體燃料火箭

        激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)尚處于概念研發(fā)階段。與之相比,利用核動(dòng)力系統(tǒng)作為星際引擎的方案更為成熟,未來第一艘飛出太陽系的載人航天器,很有可能由核動(dòng)力引擎驅(qū)動(dòng)。

        核動(dòng)力液體燃料火箭的動(dòng)力系統(tǒng)

        NASA和美國洛斯·阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室正在聯(lián)合開發(fā)一種新型核動(dòng)力火箭,它被認(rèn)為是星際引擎的主要發(fā)展方向。

        這種火箭的核心是其采用的新型燃料——鈾化物和水的混合物,它可以在引擎中持續(xù)進(jìn)行強(qiáng)勁的核反應(yīng)。當(dāng)鈾原子被中子擊中時(shí),會(huì)變得不穩(wěn)定,裂解為氪和鋇,從而激發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這一過程會(huì)釋放出大量能量。核動(dòng)力液體燃料火箭中的水,可以起到慢化劑的作用,使鏈?zhǔn)椒磻?yīng)持續(xù)進(jìn)行。核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量將水變成熾熱的等離子體,為火箭提供推力。

        核動(dòng)力液體燃料火箭噴出的尾氣,溫度達(dá)到傳統(tǒng)火箭尾氣溫度的上百倍,后者的溫度高達(dá)3200攝氏度。由此可見,核動(dòng)力液體燃料火箭效率更高、推力更強(qiáng)大。

        核動(dòng)力液體燃料火箭以持續(xù)進(jìn)行的核反應(yīng)為動(dòng)力源。鈾元素以四溴化鈾的形式、2%的濃度溶解在水中,其中20%—25%為鈾-235,從而提供可發(fā)生核反應(yīng)的裂變材料。除了鈾化物,核動(dòng)力液體也可以采用釙化物。

        這種效率極高、推力極大的引擎正是航天系統(tǒng)工程師夢(mèng)寐以求的。一旦研發(fā)成功,核動(dòng)力液體燃料火箭將成為有史以來最強(qiáng)大的火箭。

        利用鈾化物作為燃料,核動(dòng)力液體燃料火箭只需要數(shù)月便可抵達(dá)太陽系邊緣。相比之下,利用傳統(tǒng)火箭前往土星,單程就需要3—7年時(shí)間。

        核動(dòng)力液體燃料火箭的排氣速度約為每秒6萬米,而傳統(tǒng)火箭只有每秒4500米。然而,要想實(shí)現(xiàn)抵達(dá)遙遠(yuǎn)星系的夢(mèng)想,這個(gè)速度依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。核動(dòng)力液體燃料火箭的速度要達(dá)到光速的二十分之一,還需要把低濃度的鈾替換成更“強(qiáng)大”的物質(zhì),比如武器級(jí)別的高濃度鈾。這種鈾化物中含有90%的鈾-235,比試驗(yàn)系統(tǒng)中的20%高得多。

        假如一枚330噸的火箭攜帶足夠的核動(dòng)力液體燃料,其中鈾-235的含量為90%,那么其排氣速度可以達(dá)到每秒9000公里,約為光速的3%。

        這種火箭產(chǎn)生的熱量也許是它最大的瓶頸。能經(jīng)受如此的高溫和輻射的排氣噴嘴,一定要用極其堅(jiān)固耐用的材料制成。另外,燃料罐也要用特殊的、能夠吸收中子的材料制成。

        激光灼燒金屬推動(dòng)太空飛行器想象圖

        碳化硼密度低、強(qiáng)度大,常被用于制造武器系統(tǒng)。它是硬度最大的材料之一,之所以在核能領(lǐng)域能夠得到廣泛應(yīng)用,另外兩個(gè)原因是它吸收中子的能力和強(qiáng)大的化學(xué)穩(wěn)定性。如果沒有硼元素來吸收多余的中子,那么核反應(yīng)就可能失控。因此,可以用碳化硼制成長長的管道,讓燃料通過管道進(jìn)入反應(yīng)艙,再發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。此外,為了讓噴嘴和反應(yīng)艙冷卻下來,還需要有水從這些部位表面流過,帶走多余的熱量。

        那么,反應(yīng)艙本身要用什么材料制成呢?什么樣的材料才能承受如此劇烈的反應(yīng)?對(duì)此,NASA專家解釋,這種新型火箭最關(guān)鍵的并不是材料,而是液體的流動(dòng)。如果液體在反應(yīng)艙中的流動(dòng)速度保持在合適的水平,其釋放的能量便會(huì)大多集中在反應(yīng)艙尾部,對(duì)艙體本身不會(huì)造成太大壓力。

        與核動(dòng)力液體燃料火箭相關(guān)的所有工程問題,基本上都能用現(xiàn)有的科學(xué)方法解決。但由于目前尚未造出原型機(jī),所以人們還無法確定這一方案是否能夠成為現(xiàn)實(shí)。

        核動(dòng)力液體燃料火箭的原理,決定了它在飛行過程中會(huì)不斷釋放出放射性物質(zhì)。因此在從地球進(jìn)入太空時(shí),該型火箭不能使用核動(dòng)力推進(jìn),否則會(huì)對(duì)周邊區(qū)域造成污染。一旦進(jìn)入深空,這就不是問題了,因?yàn)檫b遠(yuǎn)的距離能將放射性物質(zhì)“稀釋”到可以忽略的水平。即使有放射性物質(zhì)落到地球上,其數(shù)量也可以忽略不計(jì)。

        光有核動(dòng)力液體燃料還不夠,火箭還需要借助激光加速等技術(shù),才能離開地面,飛往遙遠(yuǎn)的星系。此外,由于大部分燃料都將用于加速,科學(xué)家還無法確定該型火箭即將抵達(dá)目的地時(shí)該如何減速。不過,它仍然被認(rèn)為是借助現(xiàn)有技術(shù)能夠制造出的最佳星際引擎。

        編輯:姚志剛 winter-yao@163.com

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