火箭想要飞得更快,能够还得靠核动力推进

原标题:火箭想要飞得更快,能够还得靠核动力推进

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图片来源:Pixabay

美国航空航天局(NASA )和埃隆·马斯克(Elon Musk )都有着出征火星的梦,远距离航走的载人航天飞走义务也终将准期而至。但有一点你能够不会想到,那就是当代火箭的进取速度并异国以前那么快了。

速度更快的航天飞船在很众方面上都占有上风,而核动力火箭(nuclear powered rocket )就是给飞船添速的一栽手段。与传统燃烧燃料的火箭或是当代太阳能电推进火箭相比,核动力火箭具有很众上风,但在以前的40 年中,美国只有8 次航天发射用到了核逆答堆。

在2019 年,规范核航天飞走的有关法规发生了转折,下一代火箭的做事也已经重新最先了。

为什么要寻找速度?

太空旅走的第一步涉及的就是用火箭将飞船发射进入轨道,人们在想到火箭发射时会在脑海中刻画出大型燃烧燃料的发动机,也就是发射火箭,因为地球重力的限定作用,在可意料的异日发射火箭都不太能够消亡。

一旦飞船到达太空,事情就会变得兴趣首来。为了逃走地球的引力前去深空中的方针地,飞船必要额表的添速度,这个时候核编制就能发挥作用了。倘若宇航员想要探索比月球或者火星更远的地方,他们将必要以专门专门快的速度进取。宇宙如此众多,通盘都遥不走及。

火箭速度更快对于长距离太空旅走来说更有利的因为有两个:一是坦然性,二是时间性。

前去火星旅走的宇航员将会被袒露在专门高的辐射程度中,这能够导致主要的永远健康题目,例如癌症和不育症。辐射防护能首到肯定的珍惜作用,但是它专门沉重,并且义务越长,必要的防护就越众。缩短辐射袒露更益的手段则是更快地到达方针地。

宇航员的人身坦然还只是其中一个益处。随着各大太空机构进一步深入太空,从无人飞走义务中尽能够快地获取数据变得专门主要。旅走者2 号(Voyager-2 )花了漫长的12 年时间才到达海王星,飞掠过海王星时拍下了一些令人不走思议的照片。倘若旅走者2 号具有更快的推进编制,那么天文学家其实能够更早地获得这些照片和其中包含的新闻。

高速的上风显而易见,但为什么核编制更快些呢?

土星5 号运载火箭高约363 英尺(110 米),主要的构成片面是一个燃料箱。

图片来源:迈克·捷策(Mike Jetzer )/heroicrelics.org, CC BY-NC-ND

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当下的编制

一旦飞船逃走了地球的引力,在比较任何推进编制时都有三个主要方面必要考虑:

·推力(Thrust ):编制能以众快的速度对飞船进走添速

·质量效果(Mass efficiency ):对于给定的燃料质量,编制能够产生众少推力

·能量密度(Energy density ):给定质量的燃料能够产生众少能量

现在,最常用的推进编制是化学推进编制(chemical propulsionsystem ),即通例燃烧燃料的火箭推进编制,以及太阳能电推进编制(solar-powered electric propulsion system )。

化学推进编制能挑供很大的推力,但化学火箭的质量效果并不是稀奇高,火箭燃料的能量密度也不高。将宇航员送上月球的土星5 号运载火箭(Saturn V )在起飞时产生了3500 万牛顿的力,运载了95 万添仑(约36 万升)的燃料。尽管大片面燃料用于使火箭进入轨道,但局限性显而易见:去任何地方都必要大量沉重的燃料。

电推进编制则是行使太阳能电池板产生的电能来产生推力,最常见的手段是操纵电场对离子进走添速,例如在霍尔推力器(Hall thruster )中。电推进编制清淡用于给卫星供电,其质量效果比化学推进编制高出5 倍以上,但是相对而言电推进编制产生的推力却要幼得众,大约只有3 牛顿,换栽更容易理解的说法,也就是只能在大约两个半幼时内让汽车从0 添速到97 千米/ 幼时。电推进编制的能量来源,也就是太阳,内心上是取之无禁用之不息的,但实际上航天器距离太阳越远,太阳能的作用就越微弱。

核动力火箭之因而拥有前途,因为之一就在于它们挑供的能量密度之大令人难以信任。核逆答堆中操纵的是铀(U )燃料,产生的能量密度比典型的化学火箭推进剂肼(N 2 H 4 )要高400 万倍。与携带成千上万升的化学燃料相比,周末游将幼批铀燃料送入太空要容易得众。

除了能量密度,核动力编制的推力和质量效果又如何呢?

第一枚核炎火箭建于1967 年,在上图的背景中能够望到。前景是原谅逆答堆的珍惜壳。

图片来源:NASA / 维基百科

核动力编制的两栽选择

工程师为太空旅走设计了两栽主要类型的核动力编制。

第一栽叫做核炎推进(nuclear thermal propulsion ),这栽编制推力富强且效果适中。核炎推进操纵的是幼型核裂变逆答堆,相通于在核潜艇中发现的核裂变逆答堆,常采用氢气行为工质(working substance )兼冷却剂,工质流经逆答堆后被添炎,再经紧缩膨胀喷管高速喷出,进而挑供推力。NASA 的工程师推想,相比化学动力驱动,由核炎推进技术驱动的火星飞走义务在时长上要短20 %-25 %。

核炎推进编制的质量效果是化学推进编制的两倍以上,这意味着,在操纵相通质量的推进剂,核炎推进产生的推力是化学推进的两倍众,可挑供的推力能达到10 万牛顿,也就是足以让汽车在大约四分之一秒的时间内从0 添速到97 千米/ 幼时的速度。

第二栽核动力火箭编制名为核电推进(nuclear electricpropulsion ),现在还异国建成的核电编制,做事原理是行使大功率核裂变逆答堆发电,将核能转换为电能,为霍尔推进器云云的电推进器挑供动力。核电推进将具有专门高的质量效果,大约是核炎推进编制的3 倍。因为核逆答堆能够产生极高的能量,因此能够同时为众个自力的电推进器供电以产生很大的推力。

核电推进编制不受太阳能的限定、具有很高的质量效果,并且能够挑供相对较大的推力,因此是实走长途义务的最佳选择。尽管核电火箭拥有如此优厚的益处,但在投入操纵之前仍有很众技术题目亟待解决。

异日将人类带上火星的核炎飞船的的艺术概念图。

图片来源:约翰·弗雷萨尼托做事室(John Frassanito &Associates )/ 维基百科

为什么现在还异国核动力火箭呢?

核炎推进编制的钻研自1960 年代以来就最先了,但到现在为止仍异国行使在太空飞走中。

1970 年代,美国首次实走了一系列法规,基本上请求所有的核太空项现在都要通过众个当局机构的逐案审阅和准许,并且还要获得总统的清晰准许。除此之表,核火箭编制钻研的资金也专门欠缺,这栽大环境窒碍了用于太空探索核逆答堆的进一步发展。

当特朗普当局在2019 年8 月发布总统备忘录(presidential memorandum )之时,这通盘都发生了转折。在坚持保证核动力发射尽能够坦然的前挑下,当局的新指使准许操纵幼批核原料的核义务跳过众机构的准许程序,例如,只需像NASA 云云的赞助机构表明义务相符坦然提出即可;自然,更大型的核义务照样必要走完此前规定的一系列程序。

随着法规又有了这项新的修订,NASA 在2019 年的财政预算中获得了1 亿美元用于发展核炎推进编制。美国国防部高级钻研计划局(Defense Advanced Research Projects Agency ,DARPA )也在开发太空核炎推进编制,旨在让美国国家坦然走动能够触及地球轨道之表。

在凝滞了60 年之后,核动力火箭或将于十年之内飞向太空。这项激动人心的进展无疑将开启太空探索的新纪元:人类将亲身前去火星,科学实验则将在吾们的整个太阳系内表进走新的探索与发现。

参考来源:

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posted @ 20-06-30 07:59  作者:admin  阅读量:

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