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    NASA披露離子發動機新突破:有望實現送人上火星

    類別:社會新聞發布人:聯迪發布時間:2017-11-02

    據英國《每日郵報》報道,日前,來自NASA和美國密歇根大學的工程師們公布了一個在離子發動機研發方面突破了紀錄的測試,該離子發動機的設計初衷是讓它實現帶人類登上火星。

    這款被稱之為“霍爾推進器”(Hall Thruster)的離子發動機是目前正在處于研發當中的三款“火星發動機”中的一款,它通過使用電場和磁場來離子化諸如氙氣這樣的氣體,讓它噴出離子,并進而產生出推動推進器前進的推力。

    相比傳統的化學推進劑火箭,這項技術要更清潔、更安全,燃料利用率也更高,但它的缺點是它所產生的推力要相對小一些,加速度也小一些。

    “火星計劃即將來臨,我們已經知道霍爾推進器在太空中能夠運行得很好,”X3離子推進器研發項目的首席工程師亞歷克·加利莫爾(Alec Gallimore)這樣說道。

    “無論是在燃料經濟性方面,實現用最少的能量和推進劑在一年半載內完成設備的運送,還是在速度方面,更快地將飛船機組人員運送至火星,霍爾推進器都有待進一步的優化?!?

    一些專家曾表示,霍爾推進器能在幾周而不是幾年內,將人送到火星。

    在日前進行的幾場測試中,X3離子推進器打破了三項此前由其它霍爾推進器創下的紀錄,這讓實現載人火星計劃的希望,又大了幾分。

    此次主導X3離子推進器研發的科學家包括密歇根大學航天航空工程教授歷克·加利莫爾和密歇根大學航天航空工程學院的院長羅伯特·J·弗拉希奇(Robert J. Vlasic)。

    霍爾推進器通過使用電場和磁場,非??斕丶鈾偕倭客平粒ǖ壤胱猶澹?,形成等離子體射流,進而異常高效地提供太空飛船前進所需的推力。這一技術只需傳統化學火箭運行所需燃料的一小部分,就可以將速度提升至最大。

    目前,擺在科學家們面前的最大挑戰是如何讓離子推進器變得更強大。

    這個代號為“X3”的新一代霍爾推進器是由來自密歇根大學、NASA和美國空軍的科研人員們共同研發出的,它成功打破了此前另一臺霍爾推進器所創下的紀錄——它產生了5.4牛頓的推力,而上一代所創下的紀錄是3.3牛頓。

    推力上的提升對載人火箭計劃來說是至關重要的——這意味著更快的加速和更短的航行時間。

    X3還將此前運行電流的紀錄翻了個倍(250安培vs 112安培),并略微提高了運行功率(102千瓦vs 98千瓦)。

    X3推進器是目前正處于研制當中的三種“火星發動機”中的一種,該項目受到了NASA資助。

    來自密歇根大學航天航空工程學院的一名博士生斯科特·霍爾(Scott Hall)和一位名叫哈尼·卡馬拉(Hani Kamhawi)的NASA科學家,在NASA格倫研究中心(Glenn Research Center)進行了這些測試。

    這幾場實驗讓科研人員們五年多來的搭建、測試和改進工作迎來了高潮。

    專注于研發太陽能電推進系統的NASA格倫研究中心,具備美國目前唯一一個能操作X3推進器的真空實驗室,這主要是因為X3推進器產生的排氣太過巨大,以致其它真空室的真空泵都無法承載得起,強行實驗的話,X3推進器尾部噴出的疝氣就會沖回等離子體羽流,讓擾亂實驗結果。

    鑒于目前任何承受臺都無法承擔X3推進器的實驗,霍爾博士還專門搭建了一個特制的推力承受臺,來承受X3推進器500磅的重量以及它所產生出的推力。

    “最重要的時刻是當你關上了真空室的門,并抽空了里面的空氣,”霍爾這樣評論道?!叭綣夢胰ピげ獾幕?,我覺得這個推進器將成為將人類送上火星的基石?!?

    在經過20小時的抽空空氣,完成太空環境的營造后,霍爾和卡馬拉每天都會花上12個小時來測試這臺X3推進器。

    接下來,X3將被整合進洛克達因公司(Aerojet Rocketdyne)開發出來的電源系統。洛克達因是一家火箭和導彈推進器制造商,它目前已經得到了NASA的授權,將主導該項工程推進器系統的研發。

    在2018年春季的時候,霍爾預期將回到NASA格倫研究中心,在洛克達因公司電源處理系統的配合下,對X3推進器進行為期100小時的測試。

    因為X3離子推進器相比傳統化學火箭更節省燃料,X3離子推進器將成為探索火星、小行星和太陽系邊緣地區的理想選擇。

    目前,密歇根大學“探索合作下一代太空技術”項目(NextSTEP)的工程師們已經成功地造出了X3推進器的原型機。這個離子發動機是洛克達因公司推出的XR-100推進系統的一部分,在未來的10年里,它將驅使太空飛船飛行火星。

    在未來的3年里,將給洛克達因公司提供650萬美元的資金用于研發代號為XR-100的新型推進系統。

    這個由亞歷克·加利莫爾教授研制出的X3離子推進器是這套XR-100系統的核心,加利莫爾所帶領的推進器研發團隊因此也將獲得100萬美元的獎勵。

    這個XR-100系統正面臨著兩個另外兩個推進方案的激烈競爭。

    這三套方案都依賴于噴射等離子體——等離子是一種物質的能態,在這種狀態下,電子和離子同時存在——從而推動推進器的前進。

    X3離子推進器的核心技術——霍爾推進器——已經被用于操控繞地軌道衛星的運行。

    “作為對照,目前在地球軌道運行的功率最大的霍爾推進器的功率是4.5千瓦,”加利莫爾教授這樣解釋道。

    對一顆衛星的軌道或方向調整來說,這一個功率是足夠用的,但對運輸人類探索太空深處所需的大批貨物來說,這一功率又顯得捉襟見肘了。

    霍爾推進器的工作原理是通過加速等離子,讓它以極高的速度向后噴射出去,從而給推進器施加了一個前進的推力。

    這一過程的開始是讓電子繞著一個圓形通道流動。這趟旋轉“旅行”從位于排氣端的負極開始,到位于通道內側的正極結束。在這一過程中,電子們會“跑進”原子堆(通常是氙氣)里,電子和原子的碰撞,會將疝原子鐘的電子“撞走”,讓氙原子變成帶正電的粒子。

    這些電子的旋轉運動同時也會生產一個強大的電場,將氙氣離子從通道排氣端中拉扯了出來。

    “當它們被離子化的時候,氙原子能以最高30000米每秒的速度射出,這相當于每小時65千米,”加利莫爾教授這樣說道。

    X3離子推進器擁有三個這樣的通道,每個都只有幾厘米深,它們以同心環的方式相互嵌套,這種嵌套方式讓這個霍爾推進器能以200千瓦的功率運行。

    在加利莫爾教授實驗室工作的斯科特·霍爾博士將使用這筆NASA提供的資金來對這臺X3推進器進行一系列的電池測試。

    首先,他將在密歇根大學的等離子體和電力推進實驗室(Plasmadynamics and Electric Propulsion Lab)將這臺X3離子推進器的運行功率提升至60千瓦,然后在NASA格倫研究中心繼續將功率提升至200千瓦。

    與此同時,另一位名叫莎拉·屈松(Sarah Cusson)的博士生將繼續對X3進行進一步的改進,讓X3目前僅為1年多一點兒的使用壽命,延長至現在的5到10倍。

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