效率比最先進化學引擎高 3 倍!約翰霍普金斯大學展開太陽能推進探測器原型設計

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 25 日 8:45 | 分類 尖端科技 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory,APL)工程師正在對以前的理論火箭設計進行原型設計,該設計可能有朝一日將太空船帶入星際空間(Interstellar Space)。他們利用太陽熱而不是燃燒原理來為火箭引擎提供動力。 

與安裝在火箭尾部的傳統引擎不同,該實驗性太陽能引擎在外型上採用由黑碳泡棉製成的扁平防護罩。該引擎可兼做遮熱板,以保護探測器免受太陽強光的照射,在表面下方充滿氫氣的線圈繞管同樣發揮吸收太陽熱的作用。

氫氣膨脹、加壓,然後從噴嘴噴發,產生推力。科學家稱其為太陽熱推進(Solar Thermal Propulsion)技術。「從物理學的角度來看,我很難想像有什麼能在效率上擊敗太陽熱推進,」APL 實驗室材料科學家 Jason Benkoski 指出,「但是你能阻止它爆發式的進展嗎?」

Benkoski 和他來自 APL 實驗室和 NASA 的同事最近在線上「第三屆年度星際探測器探索工作坊」分享了他們的設計。根據 Benkoski 的計算,這個真實版的引擎效率可能是當今火箭所用最先進化學燃燒引擎的 3 倍。

在 2019 年,NASA 與 APL 合作開展了星際探測器研究。這項研究將決定未來 10 年可能啟動的任務,以研究我們太陽影響範圍之外的科學。太陽系盡頭和星際空間起始點位置尚未完全達成共識,但有一個度量標準就是由太陽磁場和太陽風所構成太陽圈(Heliosphere)的邊界,他們將不能再被探測到,科學家稱之為太陽圈頂(Heliopause)。

APL 室驗室冀望打造更快、更遠、更接近太陽的太空船

APL 正在尋找一種探測器,它能夠在不到 20 年的時間裡就航行到離太陽圈最外層 3 倍距離遠之處(500 億英里遠)。為了弄清這一點,讓我們看一下目前航行距離最遠的紀錄保持者。

2012 年,航海家 1 號(Voyager 1)太空船成為第一個脫離我們太陽系範圍的人造飛行物。1977 年泰坦 3 號(Titan III)運載火箭從美國太空總署甘迺迪太空中心升空後,這艘太空探測器就展開了為期 2 年的木星之旅,在那裡它會被氣態巨行星(Gas Giant)巨大引力彈射而加速展開前往土星、天王星和海王星的旅程(請參見完整的太空船時間表)。

航海家 1 號發射升空距今已近 40 年,距地球超過 140 億英里遠,並以時速 38,000 英里(mph)的速度航行。APL 團隊希望透過將該太空船加速至 200,000 mph,並希望以原本一半的時間來完成旅行並打破這項紀錄。

為了實現這一目標,這艘太空船將必須首先完成另一項工作:在離太陽熾熱表面僅 100 萬英里處執行一次 Oberth 效應操作,這個動作是由現代火箭技術創始人之一 Hermann Oberth 創造的,其透過太空船引擎進一步加速墜入重力井之中,進而充分利用天體的引力。這很像跑下山以獲得上山的動能。山越陡峭,或者你愈靠近像太陽這樣的重力天體,就愈容易獲得速度並讓能量最大化。但問題是太陽非常非常熱。

2025 年,NASA 帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)將執行最接近太陽的任務。它將以超過 400,000 mph 的速度航行到達距離太陽表面四百萬英里的地方,屆時將承受高達華氏 2,500 度的高溫。為了抵​​禦這個有如巨型核反應爐的熱量,NASA 為其探測器配備了 4.5 英吋厚的碳複合材料防護罩。

如果 APL 計劃將探測器發送至距離太陽 100 萬英里處的話,那麼當它在進行 Oberth 操作時將需要承受華氏 4,500 度左右的高溫長達 2.5 小時之久。這就是為什麼 NASA 正在尋找可以包覆整艘太空船並能反射太陽熱之新材料的原因。此外,流經隔熱板的氫氣可以像散熱器一樣發揮作用,進而將熱能轉變成為推進劑。

「我們希望製造出比以往更快、更遠、更接近太陽的太空船,」Benkoski 表示,「這就像你可能做過最困難的事情一樣」。Benksoski 和他的 APL 同事計劃明年提交一份有關他們實驗性火箭設計研究的報告。

(首圖來源:Johns Hopkins University APL