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新的發動機技術可以使我們更快進入火星

發布時間:2019-12-26
  如果我們要定期從地球到火星以及其他遙遠的目的地旅行,我們可能需要新型的引擎。工程師們正在探索革命性的新技術,這些技術可以幫助我們在更短的時間內穿越太陽系。
  由于火星和地球繞太陽運行的軌道路徑,它們之間的距離在5460萬公里至4.01億公里之間變化。
  兩顆行星近距離接觸時,便發射了火星任務。在其中一種方法中,使用化學火箭到達火星要花9個月的時間,這是廣泛使用的推進形式。
  任何人都花很長時間旅行。但是工程師,包括美國航天局(Nasa)的工程師,正在與工業伙伴合作,以開發出更快的方法將我們帶到那里。
  那么,哪些是最有前途的技術呢?
  太陽能推進
  太陽能推進可以用來在人類執行任務之前將貨物運送到火星。美國國家航空航天局空間技術任務部首席工程師杰夫·謝伊博士說,這將確保設備和補給品準備就緒,并在宇航員乘坐化學火箭到達時等待他們。
  隨著太陽能的推進,大型太陽能電池陣列將散發能量以捕獲太陽能,然后將其轉換為電能。這為霍爾推力器提供動力。
  有優點也有缺點。從好的方面來說,您需要的燃料少得多,因此航天器變得更輕。但是,這也需要更長的時間才能到達目的地。
  Sheehy博士告訴英國廣播公司:“要攜帶我們需要的有效載荷,可能要花兩到2.5年才能使我們到達那里。”
  “對于我們需要在火星上建造的各種哨所,以使船員能夠生存數月,而車輛則需要大量貨物。”
  Aerojet Rocketdyne正在為Gateway建造霍爾推力器,該門戶是擬議中的月球空間站。
  Aerojet Rocketdyne太空部門執行總監Joe Cassidy解釋說:“太陽能是最好的,因為我們知道我們可以擴大規模。”
  “我們今天已經在通信衛星上飛行了這些裝置。今天飛行的功率水平為10-15kW(千瓦),而我們希望與Gateway一起將其放大到50kW以上。 ”
  卡西迪先生說,Aerojet Rocketdyne的霍爾推力器將比液態氫和氧火箭發動機更省油。
  他解釋說,但是使進入太空便宜的一個好方法是減少發射。
  “我認為使用氙氣作為推進劑的太陽能推進技術是一種非常好的技術。但是兩個主要的缺點是到達那里所花費的時間以及太陽能電池陣列的尺寸,”人類太空飛行器的蒂姆·西尚(Tim Cichan)說。航天巨頭洛克希德·馬丁公司的建筑師。
  阿拉巴馬州亨茨維爾大學(UAH)的系統工程教授和著名學者Dale Thomas對此表示贊同。
  他告訴英國廣播公司說:“太陽能對于較小的有效載荷效果很好,但是我們仍然很難使其按比例縮放。”
  他認為,如果可以解決技術難題,它將成為重要的替代技術。他說,但是目前,還有其他更好的選擇,例如核熱電推進。
  核熱電推進
  另一個想法是使用化學火箭從地球升空并降落在火星上。但是在旅程的中間,一些工程師建議使用一種叫做核熱電推進的東西。
  宇航員可以被送往美國宇航局獵戶座太空艙中的門戶。然后,獵戶座乘員艙將與轉運車對接。
  將獵戶座連接到轉運車后,將使用核電火箭將乘員艙和運輸模塊運送到火星,在那里它們與在火星軌道上等待的火星軌道器和著陸器連接。
  在核熱電火箭中,一個小型核反應堆會加熱液態氫。元素的氣態形式膨脹并從推進器中射出。
  卡西迪先生說:“如果我們能將(到火星)的運輸時間減少30-60天,它將改善機組人員面臨的輻射。” “我們將核熱技術視為一項關鍵技術,因為它可以縮短運輸時間。”
  戴爾·托馬斯(Dale Thomas)與美國宇航局(UAH)共同與美國國家航空航天局(NASA)簽訂了研究合同,以設計一種具有核熱能發動機的太空火箭。他認為核熱電是最接近可以使用的新發動機技術。
  他說:“我們在實驗室中運行的某些軌跡,可以將運輸時間縮短到三個月,這仍然是一個漫長的過程,但是大約是化學推進將我們帶到那里的時間的三分之一。” 。
  波音公司并不熱衷于核熱推進,因為它擔心核反應堆可能會對宇航員產生影響。
  托馬斯先生不同意:“這是一個普遍的誤解。氫推進劑是一種很好的輻射屏蔽層。
  “機組人員將在車輛的一端,發動機在另一端。因此,初步估計表明,機組人員從宇宙射線中獲得的輻射劑量要比從核熱發動機獲得的輻射劑量更多。”
  但是,他承認這項技術的一個缺點是無法輕松地在地球上對其進行測試。

但是,美國國家航空航天局(Nasa)設計了一種地面測試設備,該設備可擦洗廢氣以去除放射性顆粒-使地面測試成為可能。
  電離子推進
  另一個想法是電離子推進。這些通過使用電來加速離子(帶電的原子或分子)而產生推力。
  離子推進已被用于為太空中的衛星提供動力。但是它們僅產生低推力-更像吹風機的功率-因此加速度低。但是給定時間,它們可以達到高速。
  阿斯特拉(Ad Astra)說,它正在研究一種名為Vasimr的推進器,該推進器利用無線電波電離并加熱推進劑,然后利用磁場加速所產生的顆粒濃湯-等離子。Vasimr的設計可產生比標準離子發動機更大的推力。
  所需的電能可以以不同的方式產生。但是為了將人類送往火星,研究小組希望使用核反應堆。Vasimr將使用太陽能發電來裝載較小的有效載荷。
  阿德·阿斯特拉(Ad Astra)的總裁兼首席執行官富蘭克林·常·迪亞茲(Franklin Chang Diaz)是美國國家航空航天局(NASA)的一名宇航員,他說,乘員飛行任務需要在不到9個月的時間內到達火星。
  他說,去紅色星球比去月球困難得多。
  Chang Diaz先生告訴英國廣播公司:“解決方案是快速發展。” “對于重量為400至600公噸,功率水平為200兆瓦(兆瓦)的航天器,您可以在39天之內到達火星。”
  迪爾·托馬斯(Dale Thomas)認為,擴大Vasimr的難度將非常困難,就像從割草機的力量轉向太空火箭一樣。但是這項技術確實顯示出了希望。
  托馬斯說:“如果或者也許我應該說,當阿德·阿斯特拉(Ad Astra)能夠解決Vasimr的技術挑戰時,它似乎確實是載人飛船規模的電力推進的最佳選擇。”
  “物理學說它應該起作用。但是,我必須指出,Vasimr仍在實驗室中進行開發;距離任何規模的飛行準備還有很長的路要走。”
  Chang Diaz先生沒有看到擴大規模的問題,只是目前沒有10MW發動機的市場,因此Ad Astra堅持使用200kW。
  Chang Diaz先生說:“我們有200kW發動機的市場,在低地球軌道和月球附近有很多活動可以移動順地球衛星。”
  洛克希德·馬丁公司還認為Vasimr是有前途的技術,但它專注于太陽能發電。
  化學火箭箱
  盡管新技術很有趣,但是資深太空人洛克希德·馬丁和波音都認為液體化學火箭必須成為人類執行火星任務的基石。
  洛克希德·馬丁公司說,我們已經擁有到達火星所需的技術,化學火箭是一項經過驗證的技術,已在所有阿波羅飛行任務中發揮了作用。
  Orion的前系統架構師Cichan先生說:“我們已經擁有了今天將其帶入火星的技術。”
  “存在一些技術挑戰,但這實際上是要掌握我們擁有的技術,構建系統并獲得在深空飛行的經驗,這是擺在我們面前的工作,以及開發將在未來開創性的技術。”
  他強調,自1960年代以來就開始使用氫氣高級發射器,并且成功率很高。
  波音公司的火箭推進專家羅伯·布羅倫(Rob Broeren)告訴英國廣播公司,“納薩的太空發射系統(SLS)擁有4臺液態氫和氧RS-25火箭發動機。”
  “這些是航天飛機的傳統發動機,RS-25的優勢在于它們是久經考驗的高可靠性發動機。
  “采用經過驗證的技術的好處是,您完全有信心它們一定會起作用。采用新技術,它們聽起來很不錯,但是在實施這些技術時,您會遇到會耽誤您的問題。”
  科技政策研究所(STPI)最近的一項研究發現,人類前往火星的任務不太可能遵循美國國家航空航天局的時間表并于2033年開始。
  考慮到美國國家航空航天局預算的限制,STPI認為我們很可能在2039年前往火星,盡管白宮希望美國航天局根據其Artemis計劃在2024年首先探索月球。
  加州理工學院(Caltech)的約翰·諾思羅普(John K Northrop)航空學教授和應用物理學教授Paul Dimotakis博士對新技術甚至化學推進技術持懷疑態度。
  他說:“我個人還沒有找到有關如何具有足夠的化學推進力來維持長途旅行的技術問題的答案。氫氧火箭的使用壽命超過六個月尚不為人所知。”
  “我們沒有解決所有問題的技術解決方案。此外,在將人類送往火星之前,必須有人證明這一點,而所有這些都不符合美國國家航空航天局的時間表。”
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