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日志

 
 

科学家研究等离子火箭 或能把人带上火星  

2016-08-09 16:57:46|  分类: 科学研究(新技术) |  标签: |举报 |字号 订阅

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科学家研究等离子火箭 或能把人带上火星 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 

 8月7日消息,人类成功登陆月球过去了近50年时间,今天,我们又把勇于探索的目光投向了火星。是的,我们要送宇航员去火星。这是一项遥远而艰巨的任务,月球旅程耗费了3天时间,而旅行到火星则需要将近一年。当然,这其中的差别绝不仅仅是时间长短。

为了成功登陆火星,我们需要带着多得多的补给物资上路。而到达那颗红色星球之后,我们还需要建设其营地,并在里面生活一段时间。把这所有需要用到的东西都一股脑地送到火星,没有全新的、革命性的火箭技术是不可能的。

人类历史上建造的最大火箭是美国宇航局的土星五号运载火箭。当年正是它燃烧了成吨的燃料把阿波罗飞船送到了指定轨道。集合了当时尖端技术的“土星五号+阿波罗”组合虽然倾尽全力,也只能把相当于一节火车车厢质量的物体送上月球。要想用这种技术在火星上建造一个小房子,我们需要十几个火箭才行。然而,虽然时间过去了好几十年,科技也在不断进步,我们的火箭技术领域却仍在使用传统的“化学”推进。只有剧烈的化学反应才能产生足够的推力来克服地心引力。


 
科学家研究等离子火箭 或能把人带上火星 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 

别灰心,一旦到了太空之后,一种新的推进技术可以大幅减少燃料需求:等离子推进。

太空中的“电动汽车”

等离子火箭是一种现代技术,它把燃料转变成由带电粒子组成的粥状物质,也就是等离子体,随后通过喷射这些等离子体来推动飞船。这种等离子火箭相比传统化学推进火箭可以减少90%在太空中的燃料消耗。也就是说,同样质量的等离子燃料可以让我们多送10倍的物资到火星。NASA美国宇航局已经开始研究用等离子火箭推动摆渡飞船在火星和地球之间运送物资的可能性了。

既然等离子火箭这么棒,我们还需要化学火箭吗?需要。因为等离子火箭最大的缺点就是推力小。也就是能给飞船提供的加速度很小。最强大的等离子火箭使用的Hall推进器,也只能把一张纸的质量推出地心引力。所以等离子火箭将在数年的时间里持续给飞船加速,飞向火星。

别急着伤心,低推力不影响它在火星任务中发挥关键作用。正是它革命性的燃料效率才让NASA的火星任务变为了坑。最近,“黎明任务(Dawn Mission)”刚刚向我们展示了在等离子火箭推进下,飞船围绕两个不同的外星体运行的可能。

等离子火箭的前途是光明的,但其实践还有许多难题需要突破。比如,一个在火星任务中持续运行数年的推进器会在途中发生什么?八成会坏掉。

这正是我们要研究的问题:如何能造一个“不朽”的等离子火箭?


 
科学家研究等离子火箭 或能把人带上火星 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 

等离子火箭的原理

我们必须先了解等离子火箭的工作原理。简单来讲,火箭通过向气体燃料中注射电能来制造等离子体,从带正电荷的离子中剥离带负电荷的电子。随后,离子被从火箭后方发射出去,从而推动火箭前进。

不幸的是,离子所具有的能量不仅仅能够推动火箭,还会摧毁它遇到的所有物质。在带负电的墙壁的电磁力的作用下,离子以非常高的速度撞击墙壁。撞击力量之大可以将墙壁上的原子剥离出来。慢慢地,墙壁会越来越薄弱。最终,墙壁会在离子的撞击下坍塌。没有了墙壁,离子推进器也就不能工作了。现在,你的飞船困在太空中了。

使用加强的材料制作墙壁不是解决办法,这只不过在拖延时间而已。我们需要一种新的办法,能一劳永逸地避免墙壁受到离子的冲击。


 
科学家研究等离子火箭 或能把人带上火星 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 
自我修复的墙壁

所以做一堵能自我修复的墙不久好了?我们有两种办法可以做到。

第一种方法被称为“弹道沉积”,存在于材料的微观表面的变化中,如尖峰或列。当离子撞击墙面,这些微观表面可能破碎然后飞向任意方向。其中一些碎片会装上墙壁表面突出的部分并附着在上面。这个撞击-附着的现象不断地进行下去,墙壁等于是没有受损。但是,总有一些原子会飞离墙壁,永远不会回来了。


 
科学家研究等离子火箭 或能把人带上火星 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 

第二种“等离子体沉积”方法不是那么直观,它取决于等离子体的状态。这时,墙壁仍然会被撞击出碎片,但飞进等离子体的碎片不是永远消失,而是掉头又飞回了墙面上。就像向天空扔出的篮球会在重力的作用下回到地面一样,飞出的原子会在电磁力的作用下再次回到墙面。墙面粒子起初是中性的,但它在等离子体中可能失去电子,变成带正电。所以,它会被带负电的墙壁拉回去。这就是被称为“等离子体沉积”的过程,我们可以通过调整等离子体的浓度和温度来掌控这个过程。


 
科学家研究等离子火箭 或能把人带上火星 - 月儿弯弯 - wang.zhou.803 的博客
 测试材料

记住,“弹道沉积”取决于墙壁表面结构,“等离子体沉积”取决于等离子体的性质。科学家们已经发现了可以将墙壁损伤降低20%的表面结构,通过进一步调整,这个比例还可以提高到50%。这已经足够让推进器坚持工作到火星了。下一步就是研究能否调整等离子体性质,让墙壁真正的“不朽”。

随着等离子体推进器越来越强劲,它们对墙壁的侵蚀也越来越厉害。有自愈能力的墙壁越发重要起来。科学家们的最终目标是制作一个能够坚持往返火星10次的“不朽”墙壁,让往返于火星和地球之间的摆渡飞船变为可能。

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