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美设计核聚变火箭:载人往返火星仅需数月
2013-04-10 08:17:05   编辑:雪花   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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新浪科技编译美国物理学家组织网站报道称,长期以来载人火星探测一直是一个看似遥遥无期的梦想。但是现在,天文学家们或许已经朝着这一目标又迈进了一步:他们开发出一种独特的核聚变推进技术,这和驱动太阳和恒星发光发热是相同的机理。

美国华盛顿大学以及美国雷特蒙德地区的空间推进技术公司正致力于开发一种新型核聚变驱动火箭,该火箭的研制成功将会扫清横亘在载人火星探测前方道路上的一系列障碍,包括长时间太空飞行,超高的费用以及健康风险等等。

该项目的主要研究者,华盛顿大学航空航天学助理教授约翰·斯洛表示:“使用现有的火箭推进燃料几乎不可能支持人类开展距离地球较远的深空探测飞行。”他说:“我们希望能获取一种远比现在更加高效的火箭燃料,从而最终能够让我们实现载人行星际旅行。”

昂贵的火星之旅

该项目的进行得到了美国宇航局“创新型先进理念项目”的资金资助。在上周举办的一个研讨会上,斯洛和他的小组介绍了他们对火星载人飞行的分析以及详细的计算机建模分析和初步的实验结果。斯洛团队的这一研究项目在去年秋季获得了宇航局的第二轮资助。最初共有大约700个项目参加美国宇航局的资助申请,最终有15个项目获得第一轮资金支持,而现在斯洛小组的项目再次通过评估,获得了第二轮的资金支持。

美国宇航局估计,基于现有技术,载人往返火星将至少需要4年的时间。这样一来在整个过程中将要耗费的化学燃料和资金就将非常惊人——光发射费用就将耗去120亿美元。斯洛和他的团队已经在杂志上发表了他们的最新计算结果,评估了借助新型核聚变火箭往返火星,假设分别耗时30天或90天时将会需要的花费金额。使用核聚变技术之后,火星载人飞行将会变得更加实际也更加经济。

技术上的可行性

但是这项技术是否真的能够实现?斯洛和他的团队相信答案是肯定的。他们已经在实验室中实现了整个过程的测试。现在他们面临的问题就是将这些分别进行的部件实验组合到一起进行整体实验,并实际检验核聚变的技术方案。研究组开发出一种特殊的等离子体,其被自身的磁场束缚。当这些等离子体在磁场中受到强烈压缩时便会发生核聚变。此前实验小组已经在实验室中成功验证了这项技术。

驱动火箭只需要非常少的核聚变燃料,一粒沙子那么多的核聚变燃料的推进力就和一加仑普通化学染料相当。为了实现核聚变推进,研究组在磁场中的等离子体周围使用金属环内爆,从而对等离子体施加强大的向心压力,进而引发核聚变。周围的金属环形成一个外壳激发核聚变的发生,但仅仅持续几个微秒。但尽管只有这么短的压缩时间,但发生的核聚变作用已经足以产生足够能量迅速加热并导致外壳离子化。此时在超高温下蒸发的金属外壳便会被高速喷出火箭喷口从而推动火箭前进。这一过程大约每隔一分钟重复一次,驱动火箭不断加速飞行。

研究小组此前已经在华盛顿大学的等离子体动力学实验室内演示了这种基于金属损耗的聚变推进技术。在最近一次美国宇航局举办的研讨会上该小组还出示了一个拳头大小的铝制金属球,它是这种反应机制测试中剩余的金属物质。这个小球可以供人触摸和观看。斯洛表示:“我想大家都很高兴地看到我们提出的压缩等离子体实现核聚变的方案在展示中被证明的确有效。”他说:“我们希望全世界都能注意到我们展示的技术,让人们明白核聚变技术并不一定还要等上40年时间才能被应用,并且应用这项技术的花费也并不需要花上20亿美元。”

新一轮的测试

现在,该小组正致力于将等离子体压缩过程和核聚变发生机制整合起来。斯洛希望能做好一些准备,以便在今年夏季末进行首次整体测试。斯洛和同事们进行各种实验的等离子体动力学实验室内充斥着各种电容,这些电容都是承载能量的容器,就像是高能电池一般。

这些电容都被连接到一个巨大的磁铁上,加上其他一些设施,共同组成了发生核聚变反应的设备。当启动开关之后,电容会在瞬间向磁铁系统释放超过100万安培的电流,导致后者瞬间对金属外壳产生剧烈压缩。整个设备的设计非常简单明确,斯洛表示:“在太空里,所有的部件都必须尽量简洁。”在实际的太空任务中,科学家们将使用锂金属作为金属外壳来推动火箭飞行。之所以选用锂,是因为这是一种非常活跃的金属物质。而对于前期的实验室测试来说,用铝来代替就足够了。

斯洛表示,一谈到核聚变的话题人们就会有一些顾虑,因为它让人想到核武器,但是在其它方面的应用是非常不一样的概念。用于推动火箭的聚变能相比氢弹爆炸的能量而言要小上10亿倍,这种规模的聚变无法引发显著的爆炸。另外,斯洛的设计方案中还包括使用强磁场来约束核聚变反应的产物,使其离开火箭并防止它伤害飞船中的任何乘员。

美设计核聚变火箭:载人往返火星仅需数月
艺术示意图:核聚变能火箭驱动的火星载人飞船。在这张图像中,宇航员们将乘坐在飞船最前端的舱室里。两侧太阳能帆板收集的能量将用于提供触发核聚变的初始能量

美设计核聚变火箭:载人往返火星仅需数月
等离子体(图中蓝色)正被注入火箭喷嘴。随后锂金属(红色)被瞬间收缩,对中央空间中的等离子体形成巨大压力引发核聚变反应。这种瞬间发生的核聚变反应释放出巨大能量加热并引发锂金属外壳蒸发并离子化,并从火箭喷口中高速喷出产生向前的推进力

美设计核聚变火箭:载人往返火星仅需数月
这是华盛顿大学等离子体动力学实验室的核聚变火箭测试舱。图中绿色的真空舱被两个大型的高强度铝磁铁包裹。电磁铁系统则由强大的电容供电,大量电线连接着各个系统。

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