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。
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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。
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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。
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性能對比一目了然
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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)。
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發(fā)動機原型機及背后白色真空測試罐
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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
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