星月城注册:39天抵达火星?VASIMR鼓动机工夫

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  星月城登录看阿凡达十年前,船带着烧红了的翅膀气势磅礴的星际飞,多拉星球飞向潘,迁中的爱恨情仇……一转眼继而引发了一个外太空拆,我们感受到离载人火星之旅越来越近马斯克的不锈钢飞船和猛禽发动机让。而然,工质火箭发动机?本期我们来聊聊更有前景的可变比冲的磁等离子体VASIMR)发动机依靠化学能的火箭发动机是不是最合适的行星际飞船动力?还是NERVA的核热动力氢。

  球的近邻火星是地,球直径的一半直径约为地,地球冥冥中类似但很多方面和,24小时37分钟比如火星的昼夜是,很接近和地球;角是25度自转轴的倾,常类似的四季会有和地球非,6天(667个火星日)不过她的公转周期为68,到了地球的两倍每个季节放大。适合人类移民的星球火星由此被认为是最,地球摇篮的第一步这或许是人类走出。

  换洗衣服推着拉杆箱就出发载人火星之旅并不是带着,都得考虑衣食住行,东西好多要带的!简配最,成团两人,程安排(不落地、不插旗)按自由返回轨道绕行火星旅,达500天行程也长,耗氧气897公斤循环利用也要净消,35公斤水22,84公斤食品13;登陆火星如果要,海平面大气压的0.6%火星地表大气压为地球,地球小远比,星上风大而且火,》开篇灾难吧夸张了点虽然电影《火星救援,还是经常有但风沙天,生活舱都得厚实牢靠永久、半永久增压,要穿特殊的压力服同时火星上外出。火星之旅因此去往,上很多装备必定需要带,力的火箭作陪必须要有强有。

  旗的具体行程安排载人火星落地插,载人火星飞船组合体方案比较可行的是轨道组装,步组成由6:

  火箭多次发射第一步:运载,、推进舱分批次运送到低地球轨道(LEO)把登陆火星飞船、转移居住舱、返回地球舱,人火星飞行任务的大型飞船组合体在低地球轨道把上述部件组装成载。

  月的飞行接近火星第三步:经过数,修正速度组合体,道(LMO)进入低火星轨。

  住舱转移到登陆火星飞船第四步:宇航员从转移居,火星生存的表面居住舱登陆火星飞船(含在,星起飞的上升舱)分离减速降落火星的下降舱和从火,表面着陆在火星,面进行探测和研究宇航员在火星表。

  升舱起飞进入低火星轨道(LMO)第五步:宇航员乘坐登陆火星飞船上,上的组合体对接与留在近火轨道,球转移轨道回程踏入火星-地。

  速回到低地球轨道第六步:组合体减,离再入大气层乘员舱与之分,测及返回地球任务完成载人火星探。

  么样怎,其实这6步和登月并没有本质区别看着是不是特别复杂、特别难?,土星五号火箭成就了整个阿波罗计划当年冯布劳恩倾尽全力牵头研制的,星之旅而言对于载人火,的火箭推进技术如果有了给力,也不难其实,够多的钱和新技术当然前提是有足。

  火星之旅对于载人,返于地球-火星转移轨道两步卡脖子的是送货至LEO和往。

  物资首先送到低地球轨道火星之旅需要把上百吨的,的体积比较大而这些物资,寸、容积都有要求对火箭整流罩的尺,式空间组装任务复杂小火箭蚂蚁搬家的模。实出现了多款性能优异的火箭不过冷战期间的太空竞赛着,1液体火箭发动机的土星五号火箭比如一级装配了5台液氧煤油F,到了惊人的140吨LEO的运送能力达,失败的记录而且从未有。装方案也是可行另外航天飞机改,C取自英文CargoShuttle-C(,研究将航天飞机发射系统衍生为专用无人货运运载器的方案运输的首字母)是NASA在1984年至1995年期间,器(SRB)、SSME(航天飞机主发动机)该方案利旧了航天飞机外部贮箱和固体火箭助推,天飞机的固定组件以及外部贮箱与航,复用不可,能力也达到71吨其LEO最高运载。

  争对手作为竞,能源号(Energia)苏联研发了重型运载火箭,仅为了暴风雪号能源号并非仅,shko)雄心勃勃的制定了重型和超重型火箭大家族设计师瓦连京·格鲁什科(ValentinGlu。于模块化设计能源火箭基,4个天顶号助推火箭通过在火箭周围捆绑,0吨载荷送入低地球轨道载荷安置在侧面可将10;推火箭能源-B型配置8个天顶号助,在顶部载荷放,吨的LEO运送能力则可以达到200。

  里面复原曾经的辉煌如果说从旧的图纸堆,远不甚可行由于年代久,S和太空探索公司的BFR那么现在正在研发的SL,w Glenn也是完全可以期待以及进度一直拖延的蓝色起源Ne。

  组合体整装待发在低地球轨道的,指出但要,旅轨道非常关键往返的火星之。两圈的时间里地球绕太阳,一圈多一点火星大约绕,侧的最近距离在5500万公里左右这个过程中地球和火星在公转轨道同,程最短此时路,.79公里/秒的速度但由于地球公转有29,案远比直直的过去要明智借这个力奔向火星的方,变航向的推进剂可以节省大量改。

  度增量这个概念这里要引入速,能改变轨道改变速度才,着所需消耗的燃料越多而改变幅度越大则意味,自然成了一个重要的衡量指标因此改变轨道所需的速度变化,字母Δ指代变化通常使用希腊,便是ΔV速度变化,V简写常以d。发射卫星到LEO比如从地球表面,里/秒的速度增量大约需要9.4公,必须的7.8公里/秒包括突破第一宇宙速度,.5-2 公里/秒的速度增量也包含克服大气阻力和重力的1。

  25年19,半径相异的圆形轨道间转移卫星的最小能量方法奥尔特·霍曼博士推导出在两条同一平面上、,霍曼转移称之为,下图如,切线公里/秒速度沿着地球公转的,dV便可以完成从LEO到火星霍曼转移只要额外给组合体2.95千米每秒的,火星时在到达,太阳引力由于克服,3降为21.48公里/秒速度从一开始的32.7,13公里/秒的公转速度虽然赶不上火星24.,于火星5公里/秒的逃逸速度不过2.65公里速度差低,火星着陆可以在。

  于到达此轨道所需的燃料较少霍曼转移轨道的最大优势在,箭便可完成现有化学火!是慢车不过,9个日日夜夜去程达到25, 个多月大概8,入绕火星轨道而且由于不,风险大任务。实上事,实的问题---返回地球你不得不考虑另外一个现!直处在运动过程中由于火星和地球一,总在变化相对位置,和地球特定的相对位置必须在火星上等待火星,能量相对合理让返程花费的。采用霍曼转移如果来回都,不起对,待550天左右你得在火星上,天回到地球再花259,到1068天总任务时间达,是3年刚好。

  度增量稍大的优化版转移轨道实际的执行的任务往往采用速,合货运更适,了一个大件走物流好比是你淘宝买,安全送达即可价格公道能够。航员来说对于宇,间的长短航行时,必需品的消耗牵涉到生活,问题(钙质流失)、太空辐射问题也牵涉到宇航员心理问题、生理。类宇航员会造成长期的健康风险行星际空间的宇宙射线辐射对人,在几小时内杀死无保护的宇航员大规模太阳风暴的风险甚至可能。以减少星际旅行时间因此必须创造条件,宇航员免受辐射最大程度的保护,们往返所需要携带的物资也会最大限度地减少他。

  办法?在低地球轨道大脚踩油门那么是不是可以用大力出奇迹的,?如下图所示的快速转移轨道把速度增加到极限是否可行,2.34公里/秒的速度在LEO给予组合体1,42.12公里/秒的超高速叠加地球公转速度合计达到,的时间缩短到70天测算可以将到达火星。需要大脚刹车然而在到达前,公里/秒的速度增量测算需要20.31,下降和偏转到与火星公转同步的线速度和方向才能把组合体的速度从34.13公里/秒。箭是一件特别艰难的任务这无疑对于现有的化学火,秒的速度增量已经把很多国家和企业拒之航天门外要知道突破海拔100公里高度的卡门线公里/。

  力火箭?美国在上世纪60年代开发的核热动力火箭是否可以利用金星的引力弹弓?是否可以使用核热动,900秒比冲接近。研究更短的火星之旅很多科学家致力于,9年描述了一个火星飞行任务登月功臣冯∙布劳恩196,A核热动力发动机采用三个NERV,行80天科研在火星地表进,力加速回程之旅并利用金星引,旧长达640天但整个行程依。

  效的电推发动机当代也出现了高,3000秒比冲达到了,力极低但推,毫牛量级在几百,换空间去火星只能用时间,在范艾伦辐射带中长时间滞留但从地球缓慢旋转出来意味着,致命的辐射剂量这会给宇航员,航员的火星之旅因此并不适合宇。鉴核聚变的技术这里要介绍借,术的VASIMR发动机降维碾压现有火箭推进技。

  可变比冲磁等离子体发动机VASIMR发动机全称是,nklin R. Chang Diaz由前NASA华裔宇航员张福林(Fra,黎加人哥斯达,1979年提出祖籍广东)于,加热到高达一千万度甚至更高基本原理是将等离子体温度,研究的衍生技术借鉴核聚变技术,离子体与附近的材料表面隔开利用磁镜约束场使炽热的等。合适的磁喷嘴再加上一个,能量转变为火箭的推力便可以把等离子体的,000秒(出口速度达到30-500km/s)理论上估算等离子体的比冲达到3000-50,学火箭的60倍相当于最好的化。

  个相连的线性磁单元VASIMR包括3,进剂的喷射和离子化前单元控制气体推,作为一个放大器中部的磁性单元,到磁喷嘴所需要的输入状态进一步的把等离子体加热,当了磁喷管的角色后部的磁性单元担,为具有方向的射流将流体的热能转变,子体从磁场中有效的分离出来同时又保护喷嘴壁并将等离。R工作的过程中在VASIM,前部的磁性单元中中性气体被射入到,被离子化并在那里。后在中部磁性单元中所生成的等离子体随,用进行离子回旋共振加热通过射频和磁场的共同作,的温度和密度达到所需要,时这,分布在径向方向上所有的能量几乎都。速度和保证等离子体从磁场中有效脱离磁喷管将等离子体的能量转变为射流,调整的推力输出经过,换到轴向方向上将径向的能量转。

  述思想基于上,的磁级执行特定的相关功能VASIMR 由三个相连,注入气体工质第一级主要,氘、氦、氩等通常为氢、,IMR高温下都不得不电离但其实各种工质在VAS,剔推进剂所以不挑。无线电波加热气体螺旋天线产生高频,为等离子体使其电离成,为1~3下图标号。体(Helicon Plasma)在离子化阶段产生的是螺旋波等离子。密度的低温低气压等离子体螺旋波等离子体是一种高,等离子体密度具有非常高的,作及自动调节等优势而且具有稳定、易操。

  二级第,频增强器”也称为“射,H) 使等离子体进一步加热离子回旋共振加热级(ICR,等离子体的放大器用作进一步激励。用于磁约束聚变研究ICRH技术已广泛,超级微波炉好比是一台,圈产生的磁场捕获等离子体被磁线,000万度加热到1。为4~5下图标号。

  材料技术日新月异目前的高温超导,统提升效能铺平了道路为整个VASIMR系。

  不同于常规化学燃料火箭发动机VASIMR发动机特点一:,极少燃料它只需要,的霍尔推进器还要更高效甚至相比较已经很高效,即可执行相同的任务使其使用更少推进剂。

  点二在于可变推力VASIMR的特!以改变推力和比冲在恒定功率下可,大的灵活性使得他有更,飞行路线或者返回地球能有更多的机会改变,机涡扇发动机:如果需要获得大的推力这就好比是具有“加力燃烧室”的战斗,螺旋波等离子体源大部分功率将用于,的低速离子产生更多,离子出口速度不过牺牲了;得高比冲值如果需要获,离子回旋共振加热级更多的功率将送往,口速度会提高等离子体的出,体效率提升整。

  是在整个推进过程中该发动机第三个特点,发动机内部的磁场里面等离子体被磁镜约束在,发动机耗损大幅降低。

  氢作为推进剂另外如果使用,射线良好的隔离作用还可以产生对宇宙。中最丰富的元素同时氢也是宇宙,的不断发展随着技术,空中随时摄取氢将来可以在太,MR补给燃料为VASI,途飞行实现长。

  ssion to Mars》论文中进行了测算张福林博士在《VASIMR Human Mi,万千瓦的电能如果给予20,发电功率的比值)优化到1千克/千瓦供电设备的质量功率比(设备质量与,宇航员在39天内到达火星VASIMR最快可以让,、食物、水、空气节省大量的燃料,时间的宇宙射线辐射宇航员也能摆脱长!33年的火星来回之旅甚至设计了一个在20,36天的考察包含在火星,要150天来回仅需。

  上可能实现航天器39天抵达火星尽管VASIMR发动机在理论,有两面性但凡事均,MR需要电VASI,来加速推进剂大量的电用!

  能?基于当前技术是否可以用太阳,为电推进提供高达1千千瓦的功率大型且可控的太阳能电池阵列可,道保持和姿态控制设计等产生巨大挑战但过大的电池阵对航天器的构型、轨,也只能提供100KW的功率目前国际空间站的太阳能电池,是在地日距离下而且这一结果,外区域将大幅衰减太阳能在火星等以。未来展望,和更快速的推进技术载人探索需要更高效,非空间核反应堆电源莫属笔者认为推进电能的提供。

  er)是在空间任务中将核反应堆产生的热能转换成电能为航天器供电的装置空间核反应堆电源(space nuclear reactor pow。电池相比较与太阳能,本优点在于其为自主电源空间核反应堆电源的根,光且储能极高不依赖于阳;率范围广适用功,瓦及以上功率输出可以覆盖千瓦至兆,功率增长而降低质量功率比随,务日益增长的能源需求可以有效满足航天任。技术的发展随着空间,大功率、长寿命的空间能源相匹配大功率卫星、深空探测等都需要,些大功率航天器的优选能源空间核反应堆电源将成为这。

  书里面提出了原位利用的概念而且祖布林在《赶往火星》一,tier)在1912年发现了使用二氧化碳生成甲烷的反应19世纪的法国化学家保罗·萨巴蒂尔(PaulSaba,00℃)和一定压力下在高温(300-4,(如:镍在催化剂,)的协助下钌或氧化铝, CH4 + 2H2OCO2 +4H2 --,尔反应或甲烷化反应这个反应又称萨巴蒂。

  要成分是二氧化碳火星大气层的主,在火星发现水的证据根据之前NASA,生氢(氧可以提供宇航员呼吸)利用太阳能或者核能电解水产,烷用于返回低火星轨道的推进剂与二氧化碳反映就可以生成甲。送到火星地表的可以发挥余热因此完成飞行任务的空间堆,两用一物,供电能满足各种任务需要较太阳能能够更稳定的提。

  We的核反应堆电源送入了太空美俄已成功将0.5~5 k,过10年的新型空间核反应堆电源目前正在研发千瓦至兆瓦、寿命超。指出的是不过要,堆发电空间,、直接热电转换的热离子堆无论是使用温差热电偶转换,气冷堆和斯特林循环等方式还是闭式布雷顿循环的高温,换效能问题都存在转,3%~35%左右目前转换效率在2,超过40%未来可能,涉到空间散热问题但效能问题必然牵。真空环境太空是高,对流没有,的方式向深空进行热传递散热系统只能以热辐射。此因,热量从核反应堆的循环系统中带走散热系统一方面需通过换热器将,展到大型辐射器上进行排散另一方面需将热量传输扩。

  堆功率的增加随着核反应,重的热管辐射散热器需要体积巨大且笨。估算据,应堆质量的1~2倍之多散热系统的质量将达到反,火箭运送到低地球轨道这需要更多给力的运载。ns设计的HOPE(希望号)行星际飞船下图为国外艺术家Nick Steve,VASIMR供电空间核反应堆给,应堆和屏蔽罩头部是核反,面积达到3330平米巨大的热管辐射散热器,电力电缆和冷却剂管路中间的支撑衍架走的,剂舱和乘员舱尾部是推进。

  tevens设计的行星际飞船图9.国外艺术家Nick S,堆给VAS空间核反应I

  d Astra Rocket Company)张福林在2005年创办了阿德斯特拉火箭公司(A,发VASIMR发动机在NASA的支持下研,为30kW的VX-30样机研制的进展从10kW的VX-10样机起步到功率,够比现代化学动力火箭更快地前往火星让美国宇航局认识到VASIMR能。

  为期三年、价值900万美元合同在 2015年NASA授予其,火10秒或在50千瓦下持续点火1分钟要求该发动机能在100千瓦下持续点,千瓦功率水平下持续点火100小时在2018年年中使发动机在100。是在2017年底目前最新的消息,0小时的非连续大功率测试该公司成功地积累了10,到超过200万度氩气工质被加热。

  空模拟环境喷射出高速等离子体图10. VASIMR在真,100k测试功率W

  布为该公司提供了150万美元的资金2018年5月25日加拿大航天局宣,四季度进行的100小时连续高功率点火测试支持VX-200SSTM发动机2018年。有消息更新目前并没。

  面临的难题不仅仅是耐久性笔者认为VASIMR目前,上还有很多工作可以做未来在提高推力和效率,制方向无疑是正确的但VASIMR的研。

  凡达》展望未来结尾从电影《阿。》上映10周年纪念今年是电影《阿凡达,詹姆斯∙卡梅隆严谨都说这部片子的导演,节要求极为苛刻对电影的技术细,旅行中的一些前卫设想聊聊这部科幻片在星际。

  潘多拉星球故事发生在,行星的“月球”一颗巨大的气体,——半人马座阿尔法星处在离地球最近的恒星。到4.4光年不过距离也达。5倍光速的惊人速度奔向潘多拉星詹姆斯∙卡梅隆设想使用0.7, Vehicle)Venture Star星际飞船靠的是开篇巨大的ISV(InterStellar,统有很多暗黑高科技这艘飞船的推进系!

  质引擎反物,之一就是使用反物质引擎ISV采用最极端的科技。常物质的镜像反物质就是正,电荷的原子核构成正常原子由带正,负电荷的电子核外则是带。是但,成却完全相反反物质的构,子和带负电荷的原子核它们拥有带正电荷的电。

  上去很玄乎反物质听,我们生活中但其实就在!PET-CT大家经常听到,使用的诊断方式肿瘤病人常常,----正电子核素为示踪剂其实就是采用了电子的反物质,产生的γ光子通过追踪湮灭,谢物或药物在人体内的生理生化变化快速获得从分子水平动态观察到代,学递质、受体乃至基因改变研究人体生理、生化、化。

  质相遇时当正反物,互湮灭抵消双方就会相,化为纯能量它们会转,式所预测的那样:E=mc^2正如阿尔伯特爱因斯坦着名的等。可以在45天内将人类送到火星仅仅需要10毫克的反物质就。是但,粒子加速器制造的批量反物质是用,少量的反物质即使产生极,约巨大的资金也要花费大。9月18日2000年,制造出约5万个低能状态的反氢原子欧洲核子研究中心宣布他们已经成功,件下制造出大批量的反物质这是人类首次在实验室条。质保存难不过反物。

  Star有两台反物质发动机ISV Venture ,氢和反氢工质是,密度约束在真空环境反氢燃料被磁场高,绝对零的温度冷却到接近;巨大的球型贮箱中液氢则被贮存在。启动时当引擎,放出大量的能量反氢和氢湮灭释,氢工质电离一部分加热,磁场加速、引导等离子体高速排出另外一部分转化为电能产生超强,万倍的白热状态等离子体这是比焊接电弧亮一百,三十公里长度超过。

  可以分析出那么您也,烧红的翅膀题图这对,换效率问题而必须的空间热管辐射散热器就是大量热能转换为电能过程中由于转,剧情按照,前的大脚减速“刹车”飞船到达潘多拉星球,置关闭后主推进装,实在太大由于功率,器会继续发光几周空间热管辐射散热!

   Star星际飞船“烧红的翅膀”图12. ISV Venture,通红的热依稀可见管

  “新浪微博”本文转载自,技术让39天去火星成为现实原标题《VASIMR发动机!》,veovergol作者 超超级Lod

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