美公司研发新型发动机有望39天到火星

2009年07月29日 09:07    李宽
关键词: 发动机 , 火星 , 研发
  据英国《新科学家》杂志报道,当前,美国国内在载人火星之旅和重返月球的优先选择上存在很多争论,而要求率先登陆火星的呼声看上去正占得上风。专家指出,从地球到达火星需半年之久,如此漫长的太空旅行势必会给宇航员身心健康造成极大的压力。不过,研究人员正测试动力强劲的新型离子发动机,有望使火星之旅缩短为39天。

  早有成功案例

  常规火箭燃烧化学燃料产生推力,但大部分燃料在从地面升空的第一阶段耗尽,所以,火箭常常只能在太空的大部分运行时间里采取滑行模式。另一方面,离子发动机可以令带电原子或离子加速通过电场,因而能反向驱动航天器。相比采用化学燃料的火箭,离子发动机在一定时间内提供的推力相对较少,这意味着它们自身可以不受地球引力的限制。

  可一旦进入太空,它们就像帆船后面绵延不断的微风一样,可以提供持续多年的推力,令其逐渐加速飞行,直至速度超过化学燃料火箭。实际上,迄今已有多个太空探测任务采用离子发动机,如美宇航局的“黎明”号(Dawn)探测器和日本的“Hayabusa”探测器,前者正在赶赴两颗小行星灶神星和谷神星的途中,后者已于2005年与小行星Itokawa相撞。

  新型发动机名为“可变比冲磁致离子浆火箭”(简称VASIMR),比以前几种离子发动机拥有更多的“增长剂”。这是因为它采用射频发生器加热带电粒子或等离子体。射频发生器类似用于播放无线电节目的发射机。VASIMR发动机正在由艾德·阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company)开发,该公司由物理学家、前美国宇航员张福林(Franklin Chang-Diaz)于2005年创建。

  温度堪比太阳中心

  VASIMR发动机的工作原理与蒸汽机有相似之处,第一级承担类似于沸水生成蒸汽的任务。射频发生器会不断加热氩原子气体,直至电子“汽化”生成等离子体。今年7月2日,艾德·阿斯特拉火箭公司在其位于得克萨斯州韦伯斯特市的总部首次对VASIMR离子发动机的第一级进行了测试。

  一旦从火箭发射出来的话,等离子体自身可以产生推力,只不过效率很低。为最大程度利用效能,火箭第二级会以一百万度加热离子,这一温度相当于太阳中心的温度。在强磁场下,比如超导磁体产生的磁场,离子会以固定频率旋转,VASIMR离子发动机就充分利用这一原理达到了目的。随后,射频发生器转换为同样的频率,向离子中喷射额外的能量。

  强磁场会将等离子体输送到发动机后面,从反向驱动它的运行。由于射频发生器的作用,VASIMR发动机的动力水平比其他发动机高出一百倍,通过将等离子体发动至一系列具有不同电压的金属格,加快等离子体运行速度。在这一条件下,离子会与倾向于侵蚀其的离子相撞,从而限制了火箭的动力和寿命。不过,VASIMR离子发动机的射频发生器永远不会与离子接触,从而避免了这一问题。

  艾德·阿斯特拉火箭公司负责研发的主管杰里德·斯奎尔(Jared Squire)说:“据我们所知,它是有史以来最强大的超导等离子体来源。”该公司科学家上周开始测试发动机的第二级,即加热等离子体的那一级。迄今为止,斯奎尔的团队已在50千瓦的水平下运行这台两级火箭。他们希望在测试中将动力升至200千瓦,这足够提供大约一磅的推力。这或许听上去并不太多,但在太空中,一磅推力可以驱动两吨重的货物。

  与美宇航局建立合作

  艾德·阿斯特拉火箭公司已同美宇航局达成协议,2012年或2013年会将VASIMR发动机安装到国际空间站上进行点火测试。VASIMR发动机具有令国际空间站在轨运行所需要的周期性推力的潜力。在当前的功率水平下,它完全可以依靠太阳能运行。斯奎尔表示,VASIMR发动机将变身地球轨道一个不错的“拖船”,将卫星送入不同的轨道。它还能将航天货物送入月球基地,因为其运行速度相对较快,可用于对付危险的小行星,在小行星抵达地球多年前利用引力使其偏离轨道。

  然而,如果想要在39天内到达火星,那么VASIMR发动机的动力必须达到太阳能动力的1000倍。为此,VASIMR发动机便需要安装核反应堆。从20世纪60年代至80年代,前苏联曾使用过早期的核反应堆技术,但一直没有用于太空探索,所以需要时间去进一步开发。斯奎尔说:“通向目的地的道路有多条。”

  美宇航局新任掌门人查尔斯·博尔登(Charles Bolden)日前对这种短期的火星之旅构想提出了表扬。他表示,美宇航局已向VASIMR发动机的研发提供了一定的经费,并称这是宇航局同私营公司建立合作的典型案例,将有助于宇航局在航天飞机2010年退役以后实现其既定目标。
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