美宇航局开发全电动飞船：可节省两倍燃料(图)

来源：    发布时间：2013-12-15 20:46:47 

导读：据美国太空网报道，最近几年，地面上的电动汽车逐渐发展起来，与此同时在太空中，不管是围绕地球的卫星还是飞往宇宙深处的探测飞船，也开始逐渐采用电动引擎，而不是传统的化学引擎。对美国宇航局来说，在其制定了载人火星飞行计划的今天，电动引擎很可能将是其未来的一项关键技术。

　　据美国太空网报道，最近几年，地面上的电动汽车逐渐发展起来，与此同时在太空中，不管是围绕地球的卫星还是飞往宇宙深处的探测飞船，也开始逐渐采用电动引擎，而不是传统的化学引擎。对美国宇航局来说，在其制定了载人火星飞行计划的今天，电动引擎很可能将是其未来的一项关键技术。

　　维拉德·胡拉比(Vlad Hruby)是巴塞克飞船引擎公司负责人，他说：“电动引擎所需的各项技术正逐渐趋向成熟。”胡拉比表示他等待电动引擎的兴起已有近20年时间。他说：“现在终于开始结出硕果了。”

　　2012年，美国波音公司推出了一款全电力通讯卫星，编号“702SP”，据称这一卫星产品已经赢得大量商业客户的兴趣。而就在今年4月份，美国轨道科学公司表示其正在研发一款全电力卫星产品以便参与到这项竞争中来。

　　电动引擎

　　一般而言有两种主要途径来驱动一台电力飞船引擎，要么是通过太阳能，要么是通过核聚变这两种方式都已经经过了成功的测试，但太阳离子推进发动机相对而言使用的更加普遍一些。

　　哈拉比表示：“太阳能帆板的均价正变得越来越便宜，因此正变得越来越高效。有很多因素的共同作用让这一方式得到更多偏爱。”

　　几十年以来电动飞船发动机被多艘飞船所采用。如在1970年代，苏联进行了“哈尔”(Hall)喷射推进技术研发，直到目前为止这还仍然是最常被使用的电动飞船引擎。“哈尔”引擎借助电子和磁场将推进剂中的中性原子转化为带电粒子，即离子，随后让这些离子加速从喷管喷出从而推动飞船前进。

　　纳什尼尔·费舍尔(Nathaniel Fisch)是美国普林斯顿大学等离子物理试验室哈尔喷射推进实验项目主管，他表示：“你建立一个某一电压位的电路。然后得到一些等离子体，并加实现等离子体中离子的加速。然后这些离子会被发射出去。”

　　2003年发射的日本“隼鸟”飞船飞往小行星“系川”。这艘飞船就使用了电动推进系统，而2007年升空的美国宇航局黎明号小行星探测器也是用了相似的推进技术。

　　这种新型发动机的工作效率相比传统的化学发动机，效率更高。后者借助燃料与氧化剂之间的反应形成喷射推进。

　　克里斯蒂安·卡朋特(Christian Carpenter)是火箭发动机公司“Aerojet” 探索系统部门的空间设计师，他说：“电动推进是目前我们所知推进效率最高的发动机技术。它可以节省两倍或更多的燃料，这是已经得到验证的结果。”

　　所需燃料方面的节省就意味着采用电推进的飞船可以造的比采用化学染料的飞船更轻。这种飞船重量上的减小意义重大，因为这就意味着同样一艘飞船，现在就可以用更小型的火箭，以更便宜的价格发射升空，或者这额外多出来的空间就可以用来加装更多的科学仪器，对于通讯卫星来说，就意味着更多的通讯转发频道。

　　但是万物有利必有弊，采用电力推进可以提升飞船效率，但同时会牺牲推进的功率。因此采用电推进的飞船的加速性能要弱于传统飞船，也因此其抵达同一个目的地所需的时间一般就会比采用传统推进器的飞船更久。当然我们也可以让电推进发动机的推进性能达到传统化学发动机的水平，但是那样做就会超出现有太阳能电池板的性能极限。

　　卡朋特表示：“简单的说就是：你提升了燃料效率，降低了飞船质量，但是代价是你损失了推进力，这也就意味着你会花上更长的时间。”他说：“你需要在这两者之间找出一个平衡点——在降低飞船质量以及更长的飞行时间之间。这一点需要系统整体设计师予以把握。”

　　火星任务

　　美国总统奥巴马宣布了一项雄心勃勃的计划，在本世纪20~30年代将美国宇航员送往小行星和火星。而要想达成这样的宏伟目标，关于电推进发动机方面面临的这一平衡问题就摆在了美国宇航局的面前。

　　卡朋特和其它专家近期在5月7日，在美国首都华盛顿召开的“Humans 2 Mars”研讨会上提出了一项建议，那就是在载人火星飞行中综合采用化学和电推进发动机。完全采用化学发动机可以在大约6个月内将宇航员送达火星，而在此之前，宇航员们抵达火星后将要使用的各种补给设备，则采用电推进飞船提前发射，这艘货运飞船将在太空中缓慢航行，大约需要2.5年时间抵达火星。

　　卡朋特表示：“人们需要在一个相对合理的时间范围内抵达他们的目的地。他们需要执行一些任务，而不是长路慢慢的航行。因此在飞往火星的项目设计中，使用化学推进飞船尽快将宇航员送到火星，但这绝对不是在燃料效率方面最经济的做法。”

　　相比之下，使用电推进飞船来运送货物则显得非常适合。卡朋特表示：“对于货物而言，你可以任意安排时间，从而使燃料和经济效率达到最高。”他说：“我们对所有选项都感兴趣，前往火星并没有所谓最好的方式，我们需要的是不同方式的组合应用。”

　　当然从长期来看，核动力飞船最终很可能会被证实是飞往火星的最佳工具，但是就目前而言我们尚不具备这样的技术能力。目前我们实现核聚变的装置太过巨大，并且我们还需要氢燃料的供应，而这对于长期星际航行而言是非常困难的。因此在可预见的将来，我们并不认为会出现一款实用的核动力宇宙飞船。

　　卡朋特表示：“长期而言，核动力火箭的能源效率相比化学火箭要高出两倍以上，并且其推进力的强度并不会减弱。这就意味着你可以更快地抵达那里，但是只需要大约一半的燃料。我们认为这项技术已经开始达到门槛，最终核动力将会被证明是载人飞行的最佳选择。”

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