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新型火箭发动机可能在40天内抵达火星

随着美国国家航空航天局的探索计划不断变化,未来的火星前哨站或殖民地似乎比以往任何时候都更加遥远,但有朝一日可能在40天内推动人类前往这颗红色星球的火箭技术可能已经存在。

美国国家航空航天局前宇航员FranklinChang Diaz创立的一家公司一直在开发一种新的火箭发动机,该发动机利用电力和磁场将过热等离子体从背面排出。这种等离子体流产生稳定、有效的推力,使用少量的推进剂,并随着时间的推移加快速度。

Ad Astra火箭公司的开发总监TimGlover说:“人们早在50年代就知道,认真探索火星需要电驱。”

火箭技术可以大大缩短航天器将宇航员送上火星任务所需的时间。根据Ad Astra的一项任务研究,使用发动机和足够大的动力源,航天器可以在一个多月内完成飞行,而不是半年。

美国国家航空航天局最近的路线改变为新的推进技术腾出了一些资金。美国国家航空航天局局长查尔斯·博尔登在上个月提交新预算时告诉国会,美国航天局并没有忽视这颗红色星球。

博尔登说:“虽然我们无法确定人类首次访问的日期,但由于火星是一个关键的长期目的地,我们可以确定这一任务所需的能力,并利用这一点来帮助确定我们新兴技术开发的许多目标。”

人们熟悉的燃烧固体或液体化学推进剂的化学火箭不会让人类快速到达火星,因为它们需要太多推进剂。它们可以以巨大的低效率为代价,在几分钟内产生巨大的推动力,这与汽油里程数低的速度恶魔并无不同。

缓慢但稳定的推动

一些卫星和航天器已经依靠离子发动机的电推进,这种发动机基于通电气体产生推力。类似地,Ad Astra的可变比脉冲磁等离子体火箭(VASIMR)电离氙或氢等气体,产生过热等离子体流用于推进。

但VASIMR也有一个优点,即依靠电磁波来产生等离子体并为其通电,而不是因为接触过热等离子体而磨损的物理电极。随着时间的推移,这转化为更大的可靠性,并允许非常密集的气流产生更多的推力。

VASIMR还可以调整推力以加速或减速,甚至具有“加力”模式,以效率为代价提供临时高速提升。

“我们的技术是不同的,”格洛弗告诉太空网。“这是一种可能性。我们当然认为它在更高的功率水平下最有潜力。”

然而,即使是最高效的火箭发动机也需要动力源。VASIMR可以使用气体作为推进剂,但它也需要一个可以电离气体以产生等离子体的电源。

我需要更多的力量!

一项任务轨迹研究估计,如果有200兆瓦的电源,VASIMR动力航天器可以在40天内到达这颗红色星球。这是目前VASIMR原型使用的功率的1000倍,尽管Ad Astra表示,VASIMR可以扩展到更高的电源。

真正的问题在于目前太空动力源的局限性。格洛弗估计,火星任务场景需要一个每公斤质量能产生1千瓦功率的电源,否则航天器永远无法达到快速飞行所需的速度。

现有的电源远远达不到这一理想。太阳能电池板的质量功率比为20kg/kW。格洛弗说,五角大楼的DARPA科学实验室希望开发出能达到7公斤/千瓦的太阳能电池板,拉伸透镜阵列可能达到3公斤/千瓦。这对于VASIMR绕近地轨道运输货物并将其运送到月球已经足够了,但不足以将人类飞往火星。

Ad Astra认为核能是VASIMR动力火星任务最有可能的动力源,但能够完成这项任务的核反应堆仍然只是一个理论上的概念。早在1965年,美国就只向太空发射过一个核反应器,它的功率仅为50公斤/千瓦。

前进的道路

VASIMR和必要的电源可能在未来几年得到加强。美国国家航空航天局新的五年预算包括超过30亿美元用于开发重型升力和推进技术,以及一项类似针对下一代推进和动力源的改变游戏规则的创新计划。

美国航天局新任首席技术官也强调,在美国国家航空航天局的新空间技术计划下,推进是一个关键领域。

格洛弗指出:“预算强调开发先进技术,使太空探索更容易、更便宜,这对我们来说非常鼓舞人心。”

去年年底,VASIMR凭借VX-200原型机实现了200千瓦的功率,达到了一个里程碑。从那时起,Ad Astra已经研制出可飞行的VF-200版本,该版本可能在未来几年内在国际空间站进行测试。

至于将VASIMR送入太空,Ad Astra已经与商业航天供应商讨论了可能的发射方案。

格洛弗说:“任何想在航天飞机退役后向国际空间站发送任何东西的人都在与太空探索技术公司和轨道科学公司进行沟通。”


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