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新的发动机技术可以使我们更快进入火星

发布时间:2019-12-26
  如果我们要定期从地球到火星以及其他遥远的目的地旅行,我们可能需要新型的引擎。工程师们正在探索革命性的新技术,这些技术可以帮助我们在更短的时间内穿越太阳系。
  由于火星和地球绕太阳运行的轨道路径,它们之间的距离在5460万公里至4.01亿公里之间变化。
  两颗行星近距离接触时,便发射了火星任务。在其中一种方法中,使用化学火箭到达火星要花9个月的时间,这是广泛使用的推进形式。
  任何人都花很长时间旅行。但是工程师,包括美国航天局(Nasa)的工程师,正在与工业伙伴合作,以开发出更快的方法将我们带到那里。
  那么,哪些是最有前途的技术呢?
  太阳能推进
  太阳能推进可以用来在人类执行任务之前将货物运送到火星。美国国家航空航天局空间技术任务部首席工程师杰夫·谢伊博士说,这将确保设备和补给品准备就绪,并在宇航员乘坐化学火箭到达时等待他们。
  随着太阳能的推进,大型太阳能电池阵列将散发能量以捕获太阳能,然后将其转换为电能。这为霍尔推力器提供动力。
  有优点也有缺点。从好的方面来说,您需要的燃料少得多,因此航天器变得更轻。但是,这也需要更长的时间才能到达目的地。
  Sheehy博士告诉英国广播公司:“要携带我们需要的有效载荷,可能要花两到2.5年才能使我们到达那里。”
  “对于我们需要在火星上建造的各种哨所,以使船员能够生存数月,而车辆则需要大量货物。”
  Aerojet Rocketdyne正在为Gateway建造霍尔推力器,该门户是拟议中的月球空间站。
  Aerojet Rocketdyne太空部门执行总监Joe Cassidy解释说:“太阳能是最好的,因为我们知道我们可以扩大规模。”
  “我们今天已经在通信卫星上飞行了这些装置。今天飞行的功率水平为10-15kW(千瓦),而我们希望与Gateway一起将其放大到50kW以上。 ”
  卡西迪先生说,Aerojet Rocketdyne的霍尔推力器将比液态氢和氧火箭发动机更省油。
  他解释说,但是使进入太空便宜的一个好方法是减少发射。
  “我认为使用氙气作为推进剂的太阳能推进技术是一种非常好的技术。但是两个主要的缺点是到达那里所花费的时间以及太阳能电池阵列的尺寸,”人类太空飞行器的蒂姆·西尚(Tim Cichan)说。航天巨头洛克希德·马丁公司的建筑师。
  阿拉巴马州亨茨维尔大学(UAH)的系统工程教授和著名学者Dale Thomas对此表示赞同。
  他告诉英国广播公司说:“太阳能对于较小的有效载荷效果很好,但是我们仍然很难使其按比例缩放。”
  他认为,如果可以解决技术难题,它将成为重要的替代技术。他说,但是目前,还有其他更好的选择,例如核热电推进。
  核热电推进
  另一个想法是使用化学火箭从地球升空并降落在火星上。但是在旅程的中间,一些工程师建议使用一种叫做核热电推进的东西。
  宇航员可以被送往美国宇航局猎户座太空舱中的门户。然后,猎户座乘员舱将与转运车对接。
  将猎户座连接到转运车后,将使用核电火箭将乘员舱和运输模块运送到火星,在那里它们与在火星轨道上等待的火星轨道器和着陆器连接。
  在核热电火箭中,一个小型核反应堆会加热液态氢。元素的气态形式膨胀并从推进器中射出。
  卡西迪先生说:“如果我们能将(到火星)的运输时间减少30-60天,它将改善机组人员面临的辐射。” “我们将核热技术视为一项关键技术,因为它可以缩短运输时间。”
  戴尔·托马斯(Dale Thomas)与美国宇航局(UAH)共同与美国国家航空航天局(NASA)签订了研究合同,以设计一种具有核热能发动机的太空火箭。他认为核热电是最接近可以使用的新发动机技术。
  他说:“我们在实验室中运行的某些轨迹,可以将运输时间缩短到三个月,这仍然是一个漫长的过程,但是大约是化学推进将我们带到那里的时间的三分之一。” 。
  波音公司并不热衷于核热推进,因为它担心核反应堆可能会对宇航员产生影响。
  托马斯先生不同意:“这是一个普遍的误解。氢推进剂是一种很好的辐射屏蔽层。
  “机组人员将在车辆的一端,发动机在另一端。因此,初步估计表明,机组人员从宇宙射线中获得的辐射剂量要比从核热发动机获得的辐射剂量更多。”
  但是,他承认这项技术的一个缺点是无法轻松地在地球上对其进行测试。

但是,美国国家航空航天局(Nasa)设计了一种地面测试设备,该设备可擦洗废气以去除放射性颗粒-使地面测试成为可能。
  电离子推进
  另一个想法是电离子推进。这些通过使用电来加速离子(带电的原子或分子)而产生推力。
  离子推进已被用于为太空中的卫星提供动力。但是它们仅产生低推力-更像吹风机的功率-因此加速度低。但是给定时间,它们可以达到高速。
  阿斯特拉(Ad Astra)说,它正在研究一种名为Vasimr的推进器,该推进器利用无线电波电离并加热推进剂,然后利用磁场加速所产生的颗粒浓汤-等离子。Vasimr的设计可产生比标准离子发动机更大的推力。
  所需的电能可以以不同的方式产生。但是为了将人类送往火星,研究小组希望使用核反应堆。Vasimr将使用太阳能发电来装载较小的有效载荷。
  阿德·阿斯特拉(Ad Astra)的总裁兼首席执行官富兰克林·常·迪亚兹(Franklin Chang Diaz)是美国国家航空航天局(NASA)的一名宇航员,他说,乘员飞行任务需要在不到9个月的时间内到达火星。
  他说,去红色星球比去月球困难得多。
  Chang Diaz先生告诉英国广播公司:“解决方案是快速发展。” “对于重量为400至600公吨,功率水平为200兆瓦(兆瓦)的航天器,您可以在39天之内到达火星。”
  迪尔·托马斯(Dale Thomas)认为,扩大Vasimr的难度将非常困难,就像从割草机的力量转向太空火箭一样。但是这项技术确实显示出了希望。
  托马斯说:“如果或者也许我应该说,当阿德·阿斯特拉(Ad Astra)能够解决Vasimr的技术挑战时,它似乎确实是载人飞船规模的电力推进的最佳选择。”
  “物理学说它应该起作用。但是,我必须指出,Vasimr仍在实验室中进行开发;距离任何规模的飞行准备还有很长的路要走。”
  Chang Diaz先生没有看到扩大规模的问题,只是目前没有10MW发动机的市场,因此Ad Astra坚持使用200kW。
  Chang Diaz先生说:“我们有200kW发动机的市场,在低地球轨道和月球附近有很多活动可以移动顺地球卫星。”
  洛克希德·马丁公司还认为Vasimr是有前途的技术,但它专注于太阳能发电。
  化学火箭箱
  尽管新技术很有趣,但是资深太空人洛克希德·马丁和波音都认为液体化学火箭必须成为人类执行火星任务的基石。
  洛克希德·马丁公司说,我们已经拥有到达火星所需的技术,化学火箭是一项经过验证的技术,已在所有阿波罗飞行任务中发挥了作用。
  Orion的前系统架构师Cichan先生说:“我们已经拥有了今天将其带入火星的技术。”
  “存在一些技术挑战,但这实际上是要掌握我们拥有的技术,构建系统并获得在深空飞行的经验,这是摆在我们面前的工作,以及开发将在未来开创性的技术。”
  他强调,自1960年代以来就开始使用氢气高级发射器,并且成功率很高。
  波音公司的火箭推进专家罗伯·布罗伦(Rob Broeren)告诉英国广播公司,“纳萨的太空发射系统(SLS)拥有4台液态氢和氧RS-25火箭发动机。”
  “这些是航天飞机的传统发动机,RS-25的优势在于它们是久经考验的高可靠性发动机。
  “采用经过验证的技术的好处是,您完全有信心它们一定会起作用。采用新技术,它们听起来很不错,但是在实施这些技术时,您会遇到会耽误您的问题。”
  科技政策研究所(STPI)最近的一项研究发现,人类前往火星的任务不太可能遵循美国国家航空航天局的时间表并于2033年开始。
  考虑到美国国家航空航天局预算的限制,STPI认为我们很可能在2039年前往火星,尽管白宫希望美国航天局根据其Artemis计划在2024年首先探索月球。
  加州理工学院(Caltech)的约翰·诺思罗普(John K Northrop)航空学教授和应用物理学教授Paul Dimotakis博士对新技术甚至化学推进技术持怀疑态度。
  他说:“我个人还没有找到有关如何具有足够的化学推进力来维持长途旅行的技术问题的答案。氢氧火箭的使用寿命超过六个月尚不为人所知。”
  “我们没有解决所有问题的技术解决方案。此外,在将人类送往火星之前,必须有人证明这一点,而所有这些都不符合美国国家航空航天局的时间表。”
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