美國宇航局開發全電動飛船: 可節省兩倍燃料(組圖)

Daphane

來源:新浪科技

工作中的“哈爾”發動機



Aerojet公司研制的“哈爾”推進系統

北京時間5月21日消息，據美國太空網報道，最近幾年，地面上的電動汽車逐漸發展起來，與此同時在太空中，不管是圍繞地球的衛星還是飛往宇宙深處的探測飛船，也開始逐漸採用電動引擎，而不是傳統的化學引擎。對美國宇航局來說，在其制定了載人火星飛行計劃的今天，電動引擎很可能將是其未來的一項關鍵技術。

　　維拉德·胡拉比(Vlad Hruby)是巴塞克飛船引擎公司負責人，他說：“電動引擎所需的各項技術正逐漸趨向成熟。”胡拉比表示他等待電動引擎的興起已有近20年時間。他說：“現在終於開始結出碩果了。”

　　2012年，美國波音公司推出了一款全電力通訊衛星，編號“702SP”，據稱這一衛星產品已經贏得大量商業客戶的興趣。而就在今年4月份，美國軌道科學公司表示其正在研發一款全電力衛星產品以便參與到這項競爭中來。

　　電動引擎


　　一般而言有兩種主要途徑來驅動一台電力飛船引擎，要麼是通過太陽能，要麼是通過核聚變這兩種方式都已經經過了成功的測試，但太陽離子推進發動機相對而言使用的更加普遍一些。

　　哈拉比表示：“太陽能帆板的均價正變得越來越便宜，因此正變得越來越高效。有很多因素的共同作用讓這一方式得到更多偏愛。”

　　幾十年以來電動飛船發動機被多艘飛船所採用。如在1970年代，蘇聯進行了“哈爾”(Hall)噴射推進技術研發，直到目前為止這還仍然是最常被使用的電動飛船引擎。“哈爾”引擎借助電子和磁場將推進劑中的中性原子轉化為帶電粒子，即離子，隨後讓這些離子加速從噴管噴出從而推動飛船前進。

　　納什尼爾·费舍爾(Nathaniel Fisch)是美國普林斯頓大學等離子物理試驗室哈爾噴射推進實驗項目主管，他表示：“你建立一個某一電壓位的電路。然後得到一些等離子體，並加實現等離子體中離子的加速。然後這些離子會被發射出去。”

　　2003年發射的日本“隼鳥”飛船飛往小行星“系川”。這艘飛船就使用了電動推進系統，而2007年升空的美國宇航局黎明號小行星探測器也是用了相似的推進技術。

　　這種新型發動機的工作效率相比傳統的化學發動機，效率更高。後者借助燃料與氧化劑之間的反應形成噴射推進。

　　克里斯蒂安·卡朋特(Christian Carpenter)是火箭發動機公司“Aerojet” 探索系統部門的空間設計師，他說：“電動推進是目前我們所知推進效率最高的發動機技術。它可以節省兩倍或更多的燃料，這是已經得到驗證的結果。”

　　所需燃料方面的節省就意味著採用電推進的飛船可以造的比採用化學染料的飛船更輕。這種飛船重量上的減小意義重大，因為這就意味著同樣一艘飛船，現在就可以用更小型的火箭，以更便宜的價格發射升空，或者這額外多出來的空間就可以用來加裝更多的科學儀器，對於通訊衛星來說，就意味著更多的通訊轉發頻道。

　　但是萬物有利必有弊，採用電力推進可以提升飛船效率，但同時會犧牲推進的功率。因此採用電推進的飛船的加速性能要弱於傳統飛船，也因此其抵達同一個目的地所需的時間一般就會比採用傳統推進器的飛船更久。當然我們也可以讓電推進發動機的推進性能達到傳統化學發動機的水平，但是那樣做就會超出現有太陽能電池板的性能極限。

　　卡朋特表示：“簡單的說就是：你提升了燃料效率，降低了飛船質量，但是代價是你損失了推進力，這也就意味著你會花上更長的時間。”他說：“你需要在這兩者之間找出一個平衡點——在降低飛船質量以及更長的飛行時間之間。這一點需要系統整體設計師予以把握。”

　　火星任務


　　美國總統奧巴馬宣布了一項雄心勃勃的計劃，在本世紀20~30年代將美國宇航員送往小行星和火星。而要想達成這樣的宏偉目標，關於電推進發動機方面面臨的這一平衡問題就擺在了美國宇航局的面前。

　　卡朋特和其它專家近期在5月7日，在美國首都華盛頓召開的“Humans 2 Mars”研討會上提出了一項建議，那就是在載人火星飛行中綜合採用化學和電推進發動機。完全採用化學發動機可以在大約6個月內將宇航員送達火星，而在此之前，宇航員們抵達火星後將要使用的各種補給設備，則採用電推進飛船提前發射，這艘貨運飛船將在太空中緩慢航行，大約需要2.5年時間抵達火星。

　　卡朋特表示：“人們需要在一個相對合理的時間範圍內抵達他們的目的地。他們需要執行一些任務，而不是長路慢慢的航行。因此在飛往火星的項目設計中，使用化學推進飛船盡快將宇航員送到火星，但這絕對不是在燃料效率方面最經濟的做法。”

　　相比之下，使用電推進飛船來運送貨物則顯得非常適合。卡朋特表示：“對於貨物而言，你可以任意安排時間，從而使燃料和經濟效率達到最高。”他說：“我們對所有選項都感興趣，前往火星並沒有所謂最好的方式，我們需要的是不同方式的組合應用。”

　　當然從長期來看，核動力飛船最終很可能會被證實是飛往火星的最佳工具，但是就目前而言我們尚不具備這樣的技術能力。目前我們實現核聚變的裝置太過巨大，並且我們還需要氫燃料的供應，而這對於長期星際航行而言是非常困難的。因此在可預見的將來，我們並不認為會出現一款實用的核動力宇宙飛船。

　　卡朋特表示：“長期而言，核動力火箭的能源效率相比化學火箭要高出兩倍以上，並且其推進力的強度並不會減弱。這就意味著你可以更快地抵達那里，但是只需要大約一半的燃料。我們認為這項技術已經開始達到門檻，最終核動力將會被證明是載人飛行的最佳選擇。”