新型離子發(fā)動機概念圖
據(jù)英國《新科學家》雜志報道，當前，美國國內(nèi)在載人火星之旅和重返月球的優(yōu)先選擇上存在很多爭論，而要求率先登陸火星的呼聲看上去正占得上風。專家指出，從地球到達火星需半年之久，如此漫長的太空旅行勢必會給宇航員身心健康造成極大的壓力。不過，研究人員正測試動力強勁的新型離子發(fā)動機，有望使火星之旅縮短為39天。
早有成功案例
常規(guī)火箭燃燒化學燃料產(chǎn)生推力，但大部分燃料在從地面升空的第一階段耗盡，所以，火箭常常只能在太空的大部分運行時間里采取滑行模式。另一方面，離子發(fā)動機可以令帶電原子或離子加速通過電場，因而能反向驅(qū)動航天器。相比采用化學燃料的火箭，離子發(fā)動機在一定時間內(nèi)提供的推力相對較少，這意味著它們自身可以不受地球引力的限制。
可一旦進入太空，它們就像帆船后面綿延不斷的微風一樣，可以提供持續(xù)多年的推力，令其逐漸加速飛行，直至速度超過化學燃料火箭。實際上，迄今已有多個太空探測任務采用離子發(fā)動機，如美宇航局的“黎明”號(Dawn)探測器和日本的“Hayabusa”探測器，前者正在趕赴兩顆小行星灶神星和谷神星的途中，后者已于2005年與小行星Itokawa相撞。
新型發(fā)動機名為“可變比沖磁致離子漿火箭”(簡稱VASIMR)，比以前幾種離子發(fā)動機擁有更多的“增長劑”。這是因為它采用射頻發(fā)生器加熱帶電粒子或等離子體。射頻發(fā)生器類似用于播放無線電節(jié)目的發(fā)射機。VASIMR發(fā)動機正在由艾德·阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company)開發(fā)，該公司由物理學家、前美國宇航員張福林(Franklin Chang-Diaz)于2005年創(chuàng)建。
溫度堪比太陽中心
VASIMR發(fā)動機的工作原理與蒸汽機有相似之處，第一級承擔類似于沸水生成蒸汽的任務。射頻發(fā)生器會不斷加熱氬原子氣體，直至電子“汽化”生成等離子體。今年7月2日，艾德·阿斯特拉火箭公司在其位于得克薩斯州韋伯斯特市的總部首次對VASIMR離子發(fā)動機的第一級進行了測試。
一旦從火箭發(fā)射出來的話，等離子體自身可以產(chǎn)生推力，只不過效率很低。為最大程度利用效能，火箭第二級會以一百萬度加熱離子，這一溫度相當于太陽中心的溫度。在強磁場下，比如超導磁體產(chǎn)生的磁場，離子會以固定頻率旋轉，VASIMR離子發(fā)動機就充分利用這一原理達到了目的。隨后，射頻發(fā)生器轉換為同樣的頻率，向離子中噴射額外的能量。
強磁場會將等離子體輸送到發(fā)動機后面，從反向驅(qū)動它的運行。由于射頻發(fā)生器的作用，VASIMR發(fā)動機的動力水平比其他發(fā)動機高出一百倍，通過將等離子體發(fā)動至一系列具有不同電壓的金屬格，加快等離子體運行速度。在這一條件下，離子會與傾向于侵蝕其的離子相撞，從而限制了火箭的動力和壽命。不過，VASIMR離子發(fā)動機的射頻發(fā)生器永遠不會與離子接觸，從而避免了這一問題。
艾德·阿斯特拉火箭公司負責研發(fā)的主管杰里德·斯奎爾(Jared Squire)說：“據(jù)我們所知，它是有史以來最強大的超導等離子體來源?！痹摴究茖W家上周開始測試發(fā)動機的第二級，即加熱等離子體的那一級。迄今為止，斯奎爾的團隊已在50千瓦的水平下運行這臺兩級火箭。他們希望在測試中將動力升至200千瓦，這足夠提供大約一磅的推力。這或許聽上去并不太多，但在太空中，一磅推力可以驅(qū)動兩噸重的貨物。
與美宇航局建立合作
艾德·阿斯特拉火箭公司已同美宇航局達成協(xié)議，2012年或2013年會將VASIMR發(fā)動機安裝到國際空間站上進行點火測試。VASIMR發(fā)動機具有令國際空間站在軌運行所需要的周期性推力的潛力。在當前的功率水平下，它完全可以依靠太陽能運行。斯奎爾表示，VASIMR發(fā)動機將變身地球軌道一個不錯的“拖船”，將衛(wèi)星送入不同的軌道。它還能將航天貨物送入月球基地，因為其運行速度相對較快，可用于對付危險的小行星，在小行星抵達地球多年前利用引力使其偏離軌道。
然而，如果想要在39天內(nèi)到達火星，那么VASIMR發(fā)動機的動力必須達到太陽能動力的1000倍。為此，VASIMR發(fā)動機便需要安裝核反應堆。從20世紀60年代至80年代，前蘇聯(lián)曾使用過早期的核反應堆技術，但一直沒有用于太空探索，所以需要時間去進一步開發(fā)。斯奎爾說：“通向目的地的道路有多條?！?/p>
美宇航局新任掌門人查爾斯·博爾登(Charles Bolden)日前對這種短期的火星之旅構想提出了表揚。他表示，美宇航局已向VASIMR發(fā)動機的研發(fā)提供了一定的經(jīng)費，并稱這是宇航局同私營公司建立合作的典型案例，將有助于宇航局在航天飛機2010年退役以后實現(xiàn)其既定目標。（新浪科技孝文）
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