@ 2015.10.23 , 21:00
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火星之旅:过去、现在和未来

最近电影《星际穿越》和《火星救援》里壮观的计算机图形效果和设计提醒我们通过幻想技术很容易抵达火星以至更远,但现实世界中的旅行仍然是棘手的问题。

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在我(原作)的书《行星际旅行:天文学家的指南》中我提出了这点:化学火箭效率低下,只能指望长时间的行星际航行。最流行的经由霍曼转移轨道的火星之旅单程要花约250天,太空里的这500多天对宇航员健康和安全都提出重大挑战。辐射损伤、免疫系统受损和视力损伤只是基于化学火箭技术长期接触微重力和空间环境的长期影响中的一些。“火箭科学家”在衡量效率时,排气速度为4公里/秒的化学火箭的特定比冲(SI)在SI= 200~400秒之间。

但NASA的工程师们并不蠢,几十年来他们就知道到任何地方去的最佳途径是使用某种形式的离子或核热引擎技术。离子发动机使用数千瓦功率加速氙气等重离子以每秒几十到几百公里的速度离开火箭后方,特定比冲SI=2,000至10,000秒。基于聚变的引擎把氢气通过一个裂变反应堆,把气体加热到5,000摄氏度或以上,排气速度为每秒数百至数千公里,而效率远远高于SI=10,000秒。底线是你的效率越高,你需要携带推进飞船加速的排气质量就越少,这也意味着你可以更快到达目的地。

过去

我们以前就设计过火星任务,1966年NERVA NRX/EST核引擎连续工作了两个小时,NERVA-XE引擎试车了115分钟,作为结果它表明核引擎作为一种技术现在几乎已经飞行就绪。该核引擎计划展示了高达250,000磅的推力,90分钟连续可控的推力传递,热功率等于4,500兆瓦。

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NASA的沃纳·冯·布劳恩在1969年8月提出的载人火星任务的太空船的概念插图。两艘太空船将串列进行旅程,每个由三个NERVA类型引擎驱动。(Image courtesy: NASA).

沃纳·冯·布劳恩当时孵化了一个后阿波罗计划,使用NERVA引擎作为土星V火箭的第三级,能在1978年前可行地抵达火星,甚至用这个引擎作为役马在1981年前建立大型月球殖民地。空间核推进办公室计划建造十台基于核发动机的载具,六台用于地面测试,四台用于飞行测试,但1966年后NERVA在火星任务辩论中成为烫手山芋,研发计划被推迟。核能增强的土星V将搭载化学版本二到三倍以上的有效载荷进入太空,足够轻易发射340,000磅的空间站并补充轨道推进剂仓库。最终NERVA计划变得和火星计划如此紧密地联系在一起,当国会最终在去往火星的费用和华而不实前止步时,NERVA也失去了“客户”,NERVA计划最终在1973年1月5日完全终止。

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提议中的火星转运载具“哥白尼”的艺术渲染,它将集成NTR推进和充气栖息地技术,一个5米直径的载人猎户座MPCV对接在最左边。(Credit: NASA)

NASA在2030年去火星的设计参考任务中最初研究过使用核动力推进系统,它叫做哥白尼,在太空中装配,将成为物资和人员来往火星的转运载具,但它从不会在行星上着陆。虽然在2013年该系统仍在计划中,现在哥白尼已经被边缘化,让位给更便宜和政治上更可接受的太阳能电力系统。

目前

虽然基于裂变的引擎技术似乎已经胎死腹中,离子引擎技术却是如此环境无害、高效而且潜在地非常快,因此受到竞相发展。其原理很简单,事实上,老“显像管”电视就是一个很好的模拟,你拿一束带电粒子,在这种情况下就是电子,你用高电压加速它们,使他们有每秒数千公里的速度,但却不是让它们撞到荧光屏上,你就让它们继续飞入太空。如果你用重240,000倍的氙离子取代电子,你就有了一台原始的离子发动机。

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Busek Systems测试的霍尔效应推进器能用20千瓦电力产生1牛顿推力。原则上,几百个可以组合起来产生大得多的推力,如果有足够电源可用。

NASA的曙光号和深空1号太空船使用的基于氙气的2千瓦NSTAR离子引擎只提供约0.09牛顿推力,其比冲为3,100秒,但经过一年不间断的运作(对于化学火箭是不可能的)它们把太空船的速度提高了数公里每秒;足够抵达几个小行星和彗星!

现今限制离子引擎的主要事情是施加功率,它们必须使用数千瓦电功率来产生不到一盎司的推力,对于最短时间内的重负载行星际运输,我们想要几十甚至几百牛顿的推力,而这需要200千瓦到1兆瓦范围的发电站!

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低推力太空船(艺术概念图)由太阳能电力的离子引擎推动,最终该航天器会加快速度——作为不间断加速的结果——并以每秒钟很多英里的速度前进。Image credit: John Frassanito & Associates, Inc.

NASA目前的太阳能电推进计划是用基于太阳能电池的发电厂驱动50至100千瓦范围的基于霍尔效应的离子引擎。另一种可能很快在国际空间站上测试的可能性是可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)。比冲SI=5,000秒的VX-200引擎会使用200千瓦的电力持续多个小时发出5牛顿的推力。虽然叫做VX-200-1的飞行模型在2015年3月被取消,NASA仍对在太空船和太空拖船等应用中使用该技术有兴趣。根据开发VASIMR引擎的Ad Astra公司,一趟去火星的旅途可以短至39天,不过就像Robert Zubrin博士等批评家指出的,只有研发出接近兆瓦范围的电源这才可以。

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安装在国际空间站上的Ad Astra VASIMR引擎的艺术家视角。(Credit:AdAstra/NASA)

主要缺点是所需功率或者需要一个核反应堆系统,这出于很多理由不受青睐,或者需要一个复杂的太阳能面板阵列。目前的太空级太阳能电池技术要达到所需功率水平就需要部署接近国际空间站十倍大小的面板(2,500平方米,120千瓦),尽管正在研发有希望的薄膜光伏阵列,有望达到每千克1千瓦。在地球附近从太阳的1366W/m2功率中产生300W/kg的太阳能阵列已经可用了。通过使用菲涅耳透镜10倍阳光聚光器,Entech Solar已研发出更大的低质量系统,最终能适用于高功率太空应用。

未来

大多数NASA观察家都坚信火星转运载具将是基于太阳能电力和离子引擎的设计,高效率太阳能面板使得该航天器看似老式的伞型太阳风推进系统,或是国际空间站的类固醇版本,该系统将能在约100天内抵达火星。更酷的是,这些太阳能面板效率的提升能让你装几个平方米的太阳能板就能给整个房子供电;也不用覆盖你的整个屋顶。因此火星任务在发射前很久,就已经在地球上返还绿色技术给几十亿人使用。

一旦我们能在100天内抵达火星,在一个星期或更短时间内抵达那里的商业竞赛就会开始,而这将开放整个太阳系给发现、商业、和娱乐之旅。如果你能在5个工作日内抵达火星,你就能在几个月内抵达土星!

这不是很酷么?

本文译自 HuffPost,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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TOTAL COMMENTS: 10+1

  1. 小黑
    @2 years ago
    2966475

    人能受得了高速度吗

    [1] XX [16] 回复 [0]
  2. 2966477

    幻想技术可是还行
    原来幻想算技术活

  3. 敏敏
    @2 years ago
    2966493

    @小黑: 人受不了的不是速度 而是过高的加速度

    [24] XX [2] 回复 [0]
  4. Phil0rd
    @2 years ago
    2966497

    相比解决技术问题,恐怕NASA面临的最大难题是预算了吧。我们对星空的憧憬源于儿时,可那时的科普书籍没有告诉我还有种东西叫国会

    [11] XX [3] 回复 [0]
  5. 2966505

    人类即将迎来大航天时代,就像大肮海时代去一趟美洲要几个月一样,现在去火星也要几个月

  6. 2966514

    run mars , run!!

  7. 哈佛教授
    @2 years ago
    2966544

    先把太空电梯和聚变反应堆做出来在考虑吧

  8. thornssc
    @2 years ago
    2966589

    这玩意跟我们实验室的一样。。。就是个Ion Beam Source….瓶颈是没那么大电流给飞船用。。NASA这玩意都玩烂了 该改进改进了

  9. edmundlyy
    @2 years ago
    2966624

    人们如果不能消除对核能的恐惧,估计永远都会被困在近地空间。仅凭羸弱的太阳能就像行星际旅行简直就是痴人说梦。核能推进才是唯一出路。

  10. 秋风采菊蟹
    @2 years ago
    2966842

    既然有想法,那么,就可以实现。
    我相信人类。

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