美國欲開發(fā)用于月球軌道的核裂變火箭 或開啟航天新紀(jì)元

最近，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局委托了三個(gè)私人公司：藍(lán)色起源、洛克希德·馬丁和通用原子能公司開發(fā)用于月球軌道的核裂變火箭。

據(jù)澳大利亞《對話》雜志介紹，如果成功的話，可能會(huì)開啟航天新紀(jì)元。但這只是火箭推進(jìn)技術(shù)進(jìn)展中令人興奮的方面之一，《對話》雜志介紹了幾種其他的航天器推進(jìn)技術(shù)。

化學(xué)火箭

航天器的標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)方式是使用化學(xué)火箭，主要有兩種類型：固體燃料(如航天飛機(jī)上的固體火箭助推器)和液體燃料(如土星V號(hào)運(yùn)載火箭)。

這兩種情況都是利用化學(xué)反應(yīng)在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生非常熱的高壓氣體。發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴是這種氣體的唯一出口，隨后氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴中膨脹出來，從而產(chǎn)生推力。

化學(xué)反應(yīng)需要燃料，如液氫或鋁粉，以及氧化劑如氧氣。還有許多其他變量最終也會(huì)決定火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，科學(xué)家和工程師一直在尋求從給定的設(shè)計(jì)中獲得更大的推力和燃油效率。

最近，SpaceX公司在對他們的星艦飛船原型進(jìn)行試飛。這款飛船使用的是“全流量分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)”，它以甲烷為燃料，以氧氣為氧化劑。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率要高得多，推重比也高得多。

核裂變火箭

原子核由稱為質(zhì)子和中子的亞原子粒子組成。這些決定了元素的質(zhì)量，質(zhì)子和中子越多，它的質(zhì)量就越重。有些原子核是不穩(wěn)定的，當(dāng)受到中子轟擊時(shí)會(huì)分裂成幾個(gè)較小的原子核。這就是核裂變的過程，可釋放出巨大的能量。當(dāng)原子核衰變時(shí)，它們也釋放出更多的中子，這些中子繼續(xù)分裂更多的原子，從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

在核裂變火箭中，諸如氫推進(jìn)劑氣體，通過核裂變加熱至高溫，從而在反應(yīng)堆室內(nèi)產(chǎn)生高壓氣體。就像化學(xué)火箭一樣，氣體只能通過火箭噴嘴逸出，從而產(chǎn)生推力。

核裂變火箭預(yù)計(jì)不會(huì)產(chǎn)生將大量有效載荷從地球表面送入太空所需的推力。然而，一旦進(jìn)入太空，它們就比化學(xué)火箭效率高得多。對于給定質(zhì)量的推進(jìn)劑，它們可以將航天器加速到更高的速度。

電力推進(jìn)火箭

類似“離子引擎”這樣激動(dòng)人心的科幻名詞已經(jīng)走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。真實(shí)的離子驅(qū)動(dòng)器會(huì)產(chǎn)生帶電粒子(電離)，利用電場對其進(jìn)行加速，然后用推進(jìn)器進(jìn)行發(fā)射。推進(jìn)劑是如氙氣一樣容易帶電的氣體。

當(dāng)帶電的氙原子加速離開推進(jìn)器時(shí)，它們會(huì)將極少量的動(dòng)量(質(zhì)量和速度的乘積)傳遞給航天器，從而提供溫和的推力。雖然速度較慢，但離子驅(qū)動(dòng)是所有航天器推進(jìn)方法中最省燃料的方法之一，因此可以讓火箭的太空之旅走得更遠(yuǎn)。離子驅(qū)動(dòng)器通常用于姿態(tài)控制，科學(xué)家也已經(jīng)考慮利用其幫助舊衛(wèi)星脫軌。

目前的離子發(fā)動(dòng)機(jī)是由太陽能電池供電的，需要的推進(jìn)劑非常少。它們已經(jīng)用于歐洲航天局的SMART-1登月任務(wù)和前往水星的“貝皮可倫坡”號(hào)航天器的探測任務(wù)。

美國國家航空航天局(NASA)目前正在為月球任務(wù)開發(fā)一種大功率電力推進(jìn)系統(tǒng)，該推進(jìn)器在未來的深空探測中“至關(guān)重要”。

太陽帆推進(jìn)技術(shù)

火箭的推進(jìn)通常需要推進(jìn)劑，但有一種更“綠色”的方法，僅依靠來自太陽本身的光就能前進(jìn)。

帆依賴于動(dòng)量守恒的物理性質(zhì)。在地球上，我們習(xí)慣于把這種動(dòng)量看作是航行時(shí)空氣顆粒吹入船板的動(dòng)態(tài)壓力，推動(dòng)船只前進(jìn)。光是由光子組成的，光子沒有質(zhì)量，但它們有動(dòng)量，可以將動(dòng)量傳遞到帆上。由于單個(gè)光子的能量非常小，任何明顯的加速度都需尺寸非常大的帆。

速度的增加還取決于離太陽有多遠(yuǎn)。在地球上，從太陽光接收的能量約為每平方米1.3千瓦。如果我們有一個(gè)足球場大小的帆，相當(dāng)于9.3兆瓦，即使是很輕的物體也能提供非常低的加速度。

成功飛越金星的日本伊卡洛斯航天器和目前在地球軌道上的美國行星協(xié)會(huì)“光帆2號(hào)”已經(jīng)證明太陽帆的實(shí)力。

提高效率和減小風(fēng)帆尺寸的一種方法是使用激光推動(dòng)航天器前進(jìn)。激光產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的光子光束，可以直接照射到帆上，從而提供更高的加速度。

以上的一些技術(shù)，如核裂變火箭的發(fā)展可能會(huì)引起部分人的擔(dān)憂。然而，隨著私營公司和國家航天機(jī)構(gòu)越來越多地致力于太空探索，這些替代的推進(jìn)方式將變得更為主流，并且也有可能徹底改變我們新興的太空文明。(張佳欣)