30天到火星，核能等離子發(fā)動機將改寫歷史

俄羅斯特羅伊茨克創(chuàng)新與熱核研究所（TRINITI）正在測試的這臺“核能等離子發(fā)動機”，一旦投入使用，航天器巡航速度可達每秒 100 公里，是今天化學(xué)火箭的 20 倍。按這一速度，地球—火星單程飛行有望從現(xiàn)有的 6～9 個月壓縮到 30～60 天。

01

核能火箭

傳統(tǒng)火箭，本質(zhì)上是靠劇烈的燃燒把推進劑迅速加熱、膨脹后高速噴出，這種方式簡單粗暴，推力大但效率低：

有效排氣速度上限約 4.5 km/s，決定火箭“跑不快”。

推進劑質(zhì)量占比高達 80%～90%，決定火箭“跑不遠”，連太陽系內(nèi)的航行都難以支持。

自從人類成功研制原子彈之后，美蘇都開始探索太空核能應(yīng)用。20世紀(jì)60年代美國開展ROVER及NERVA項目，開發(fā)用于深空任務(wù)的核熱推進發(fā)動機并完成地面驗證。蘇聯(lián)在同時期以“RD-0410”發(fā)動機為核心，形成了完整的空間核火箭研發(fā)體系。

這類發(fā)動機通過核反應(yīng)堆加熱氫氣，使其膨脹后高速噴出產(chǎn)生推力，噴氣速度提升到 8～9 km/s，比沖接近化學(xué)火箭的兩倍。但兩國均因預(yù)算削減及化學(xué)火箭技術(shù)成熟而終止了核火箭的研究。

近年來，隨著載人深空探測需求升溫，核推進被視為“可預(yù)見的突破性方案”，核推進系統(tǒng)再度引起各航天大國的重視。

02

磁等離子體火箭發(fā)動機

把電能直接變動能

俄羅斯原子能國家公司憑借其在核電推進領(lǐng)域的雄厚積累，研發(fā)了這臺以氫為動力的磁等離子體加速器的火箭發(fā)動機。新型發(fā)動機不再走“核熱加熱”老路，而是走“核電–電磁加速”路線。

他們的緊湊型核反應(yīng)堆能將熱能轉(zhuǎn)化為電能，為發(fā)動機提供充沛的動力，功率300千瓦，峰值功率達520千瓦。

發(fā)動機以兩個高壓電極為基礎(chǔ)，以氫為工質(zhì)，用脈沖燃氣閥控制流量，在放電腔內(nèi)電離成等離子體。以強電場和磁場共同作用，將帶電粒子（電子和質(zhì)子）加速到100km/s后高速噴出推出。由于加速過程不依賴高溫燃氣，發(fā)動機結(jié)構(gòu)溫度遠低于核熱方案，材料壽命與可靠性顯著提高。

另外，以氫為工質(zhì)，因其原子很輕，能在不消耗大量工質(zhì)的情況下達到很高的速度。另外，氫是宇宙中最廣泛的元素，星際航行中很容易得到補充。

性能對比一目了然

發(fā)動機電極

03

未來角色

星際快車＋太空拖船

項目研究員埃戈爾·比留林說“火箭離開地球仍需化學(xué)火箭，但進入深空后，我們只需要幾缸液氫，就能把航天器速度再提高一個量級”。按計劃，該發(fā)動機除用于載人火星、小行星探測外，還可充當(dāng)“太空拖船”，為大型衛(wèi)星、月球與火星貨運提供低成本、高效率的軌道轉(zhuǎn)移服務(wù)。

發(fā)動機原型機及背后白色真空測試罐

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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壹零社：用圖文、視頻記錄科技互聯(lián)網(wǎng)新鮮事、電商生活、云計算、ICT領(lǐng)域、消費電子，商業(yè)故事。《中國知網(wǎng)》每周全文收錄；中國科技報刊100強；2021年微博百萬粉絲俱樂部成員；2022年抖音優(yōu)質(zhì)科技內(nèi)容創(chuàng)作者