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核动力火箭,为追寻1400光年的地球2.0提供了可能

发布时间:2015-7-25 12:16    来自: 中国科普博览

 

   

    美国航天局23日在音频新闻发布会上宣布,天文学家通过开普勒太空望远镜确认在宜居带发现第一颗与地球大小相似的太阳系外行星开普勒-425b。这是至今为止发现的最接近地球的“孪生星球”,有可能拥有大气层和流动水。目前没有证据证明开普勒452b上面有生命,因为开普勒望远镜只负责照相,没有办法近距离观测行星,这需要后期技术手段跟进,可能需要把工具送入轨道内。


       


       这颗行星距离地球1400光年,位于天鹅座。人类想要到达前几天刚露出正脸的冥王星就需要9年时间,而想到达开普勒452b则需要5亿多年。这么远的距离,怎么办呢?也许核动力火箭是一种技术可能……

 

一直以来,有的科学家确信外星人的存在,而且找到了许多令人信服的证据。现代科学家估计,在浩瀚无边的宇宙中,有亿万个像地球一样生机盎然的星体。其中定有类似地球人的智慧生物生活着的星体,甚至有的已发展到比地球上更发达的核子时代。
  
  有了这样的基本估计,人类决意出使茫茫太空去找觅知音人。早在197789月间,美国分别发射了旅行者12无人驾驶宇宙探测器,带上包括115张有代表性的地球图片和35种自然音响录音带,先去拜访太阳系中地球的姐妹星,随后离开太阳系,飞向深空去寻找宇宙人。

  早在1913年,小说家韦尔斯在《人类的解放》一书中,曾大胆地幻想过带着原子弹的原子飞机参加了欧洲战争。那时,科学家刚刚打开原子的一扇小窗,原子世界才透进了一丝黎明的曙光。后来,随着原子世界大门被敲开,科学家们就大胆地设想用核能作动力来推进飞船。

  1955年,美国开始研究核子火箭。后来这项计划曾一度因种种原因而进展缓慢,但在研究中,科学家已找到了一些有希望的设计方案。

  在征服宇宙的征途中,已迈出了可喜的头几步。人类已在宁静的月球表面上留下了浅浅的脚印。还多次派出空间探测器对金星、火星。木星等地球的近邻作近距离的考察,发现了许多前人未曾知晓的奥秘。然而,迈出这几步,人们已经付出了高昂的代价。以美国登月计划为例,就花费了十年时光和200多亿美元。推动登月飞船的巨大土星号运载火箭,就有35层楼房那样高。然后,由太空运输船将燃料箱运往太空,并一一挂在核动力火箭上。带足燃料的核动力火箭,载着宇航员离开地球轨道,飞向遥远的星球,然后模仿登月航行,派登陆舱在外星体上着落。在完成考察任务后返回等候在轨道上的母船,对接后重返地球轨道。核动力火箭在地球轨道和遥远星球之间往返运行,长期肩负星际航行的任务,无需返回地面。

据国外媒体报道,美国宇航局科学任务理事会副主任约翰·格伦斯菲尔德认为人类必须研制出核聚变动力的火箭,传统的化学能火箭不适合进行星际旅行,即便是在太阳系之内的行星际飞行,核动力火箭将提供更快的速度和强大的能量源,也可以解决登陆其他行星时所遇到的能源问题。核聚变火箭将大大缩短深空飞行的时间,为人类充分探索和利用太阳系开辟道路,美国宇航局目前正在研制核动力火箭动力系统,此类发动机将是下一个重大的科技飞跃,可以想象,如果我们能在一两个月之内前往土星,那将是多么美妙的情景。




核动力技术可为星际航行带来强大的能量源和续航力,如果进行火星之旅,可减少宇航员暴露在宇宙射线下的风险,人类如果需要进入深空,就必然要放弃传统的化学能火箭


上世纪美国宇航局等机构论证的NERVA核动力火箭发动机,被用于火星之旅项目


科学家认为核动力火箭是未来一段时间可实现新型宇航动力,而核聚变技术用于宇宙飞船可能还需要很长的路要走,目前还没有成熟的可控核聚变反应堆,使用核裂变技术研发动力系统或许也是一个途径。美国宇航局先进概念研究所提出了几种核聚变发动机的方案,根据华盛顿大学的科学家计算,使用核聚变技术可大大缩短火星之旅的时间,我们可以在一个月之内将宇航员送上火星,比500天的时间还少很多。

 

    尽管过去几十年内科学家已经投入了大量资金研发可控核聚变技术,但目前依然没有制造出实用化的聚变堆,更不用说短期内作为宇宙飞船的动力系统,格伦斯菲尔德认为核聚变技术是未来三十年内需要有所突破的宇航动力,人类要想进入更遥远的宇宙深空,动力系统需要进行革命性地突破,地球上的可控核聚变研究应该加快脚步,然后开始测试空间核聚变动力。

 

    在第36届推进器大会上,美国宇航局就提出了核动力火箭技术,只需一次发射就可以完成太阳系内侧行星的探索。1946年,美国宇航局与美国空军联合开展了NERVA 计划以及Rover 计划,试图打造出核动力推进技术,NERVA 发动机包括反应器、涡轮泵以及推进剂存储设备等;苏联研究人员在上个世纪50年代计划在飞行器上安装四台核动力涡轮发动机,这些核动力技术都是基于核裂变技术,在这方面我们有着较为成熟的技术。

 

    常见的核裂变技术发动机包括核脉冲火箭、核电火箭、核热火箭以及核冲压火箭等,以核热火箭为例,其反应堆结构比陆基核电站的规模要小很多,铀-235的纯度要求更高,达到90%以上,在高比冲要求下,发动机核心温度将达到3000K左右,需要耐高温性能极佳的材料。核动力技术用于太空环境时,也会面临核辐射的危险,如果克服这些困难,那么在核聚变发动机无法实现的前提下,核裂变发动机技术也能为太阳系内的探索服务,甚至可进行无人飞船恒星际之旅,可带来强大续航力,这是传统化学能发动机所不能比拟的。


  核火箭用的发动机是靠核燃料裂变时产生的巨大热能,将推进剂加热到极高温度(4000℃以上)。推进剂因而获得动能,以极高速度从尾部喷出,从而推动火箭高速飞行。

  由于核燃料体积小、发热量大,核火箭可做到重量轻、体积小,化学燃料火箭根本不能与它抗衡。

  国外研究得比较多的核火箭发动机叫过热喷射式核发动机。它的核心是一个小巧玲珑的核反应堆,核燃料制成燃料元件,排成堆芯。启动时将液氢打进堆芯,受热后迅速变成摄氏几千度的高温气体,从火箭尾部高速喷射出来,产生巨大推力,这种发动机比较容易实现,也可能比化学火箭更经济。但由于冲量不够大,还不能作为远程的星际航行工具。

  第二种叫等离子挤压式核发动机它的心脏也是一个核反应堆,但反应堆不是用来供热,而是用来供电的。启动时,先向Y型真空室注入推进剂(如液氢),接着马上将两端封闭起来,并接通电流,使推进剂加热到摄氏70万度。这时推进剂已成为高温等离子体,它在电磁力的推动下,从火箭尾部喷出。由于喷出的等离子体可达极高速度(甚至接近光速),因此可以将火箭加速到星际航行所要的速度

  第三种叫气体堆芯核发动机。它是以气态铀或钚代替固体核燃料,利用气体核燃料的裂变反应放出的热量,把来自燃料箱的液氢加热到极高温度(9000℃以上),以强大的排气流推动火箭。备有这种核发动机的火箭可肩负火星之行的光荣使命。

  最后一种叫爆炸排气式核发动机。发动时向爆炸室内注入少量核爆炸剂,利用核爆炸对室壁产生的巨大压力来推动火箭前进。

 

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