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效率比最先进化学引擎高 3 倍!约翰霍普金斯大学展开太阳能推进探测器原型设计

2024-11-24 207


约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University)应用物理实验室(Applied Physics Laboratory,APL)工程师正在对以前的理论火箭设计进行原型设计,该设计可能有朝一日将太空船带入星际空间(Interstellar Space)。他们利用太阳热而不是燃烧原理来为火箭引擎提供动力。 

与安装在火箭尾部的传统引擎不同,该实验性太阳能引擎在外型上采用由黑碳泡棉制成的扁平防护罩。该引擎可兼做遮热板,以保护探测器免受太阳强光的照射,在表面下方充满氢气的线圈绕管同样发挥吸收太阳热的作用。

氢气膨胀、加压,然后从喷嘴喷发,产生推力。科学家称其为太阳热推进(Solar Thermal Propulsion)技术。“从物理学的角度来看,我很难想像有什么能在效率上击败太阳热推进,”APL 实验室材料科学家 Jason Benkoski 指出,“但是你能阻止它爆发式的进展吗?”

Benkoski 和他来自 APL 实验室和 NASA 的同事最近在线上“第三届年度星际探测器探索工作坊”分享了他们的设计。根据 Benkoski 的计算,这个真实版的引擎效率可能是当今火箭所用最先进化学燃烧引擎的 3 倍。

在 2019 年,NASA 与 APL 合作开展了星际探测器研究。这项研究将决定未来 10 年可能启动的任务,以研究我们太阳影响范围之外的科学。太阳系尽头和星际空间起始点位置尚未完全达成共识,但有一个度量标准就是由太阳磁场和太阳风所构成太阳圈(Heliosphere)的边界,他们将不能再被探测到,科学家称之为太阳圈顶(Heliopause)。

APL 室验室冀望打造更快、更远、更接近太阳的太空船

APL 正在寻找一种探测器,它能够在不到 20 年的时间里就航行到离太阳圈最外层 3 倍距离远之处(500 亿英里远)。为了弄清这一点,让我们看一下目前航行距离最远的纪录保持者。

2012 年,航海家 1 号(Voyager 1)太空船成为第一个脱离我们太阳系范围的人造飞行物。1977 年泰坦 3 号(Titan III)运载火箭从美国太空总署肯尼迪太空中心升空后,这艘太空探测器就展开了为期 2 年的木星之旅,在那里它会被气态巨行星(Gas Giant)巨大引力弹射而加速展开前往土星、天王星和海王星的旅程(请参见完整的太空船时间表)。

航海家 1 号发射升空距今已近 40 年,距地球超过 140 亿英里远,并以时速 38,000 英里(mph)的速度航行。APL 团队希望透过将该太空船加速至 200,000 mph,并希望以原本一半的时间来完成旅行并打破这项纪录。

为了实现这一目标,这艘太空船将必须首先完成另一项工作:在离太阳炽热表面仅 100 万英里处执行一次 Oberth 效应操作,这个动作是由现代火箭技术创始人之一 Hermann Oberth 创造的,其透过太空船引擎进一步加速坠入重力井之中,进而充分利用天体的引力。这很像跑下山以获得上山的动能。山越陡峭,或者你愈靠近像太阳这样的重力天体,就愈容易获得速度并让能量最大化。但问题是太阳非常非常热。

2025 年,NASA 帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)将执行最接近太阳的任务。它将以超过 400,000 mph 的速度航行到达距离太阳表面四百万英里的地方,届时将承受高达华氏 2,500 度的高温。为了抵​​御这个有如巨型核反应炉的热量,NASA 为其探测器配备了 4.5 英寸厚的碳复合材料防护罩。

如果 APL 计划将探测器发送至距离太阳 100 万英里处的话,那么当它在进行 Oberth 操作时将需要承受华氏 4,500 度左右的高温长达 2.5 小时之久。这就是为什么 NASA 正在寻找可以包覆整艘太空船并能反射太阳热之新材料的原因。此外,流经隔热板的氢气可以像散热器一样发挥作用,进而将热能转变成为推进剂。

“我们希望制造出比以往更快、更远、更接近太阳的太空船,”Benkoski 表示,“这就像你可能做过最困难的事情一样”。Benksoski 和他的 APL 同事计划明年提交一份有关他们实验性火箭设计研究的报告。

  • The Rocket Engine That Proves Solar Thermal Propulsion Isn’t Just a Crazy Theory

(首图来源:Johns Hopkins University APL)

2020-11-26 05:04:00

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