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军工航天新闻

科学家探索用激光作为宇航动力,有望45天内前往火星

星之球科技 来源:网易2022-03-02 我要评论(0 )   

航天大国都计划在未来十年向火星发射载人任务。虽然这代表了空间探索方面的巨大飞跃,但它也带来了重大的后勤和技术挑战。首先,每隔26个月,当我们的两颗行星处于彼此...




航天大国都计划在未来十年向火星发射载人任务。虽然这代表了空间探索方面的巨大飞跃,但它也带来了重大的后勤和技术挑战。首先,每隔26个月,当我们的两颗行星处于彼此轨道的最近点时(“对角”期间),才能向火星发射任务。使用目前的技术,从地球到火星需要6~9个月的时间。

即便使用核热或核电推进(NTP/ NEP),单程可能需要100天才能到达火星。然而,蒙特利尔麦吉尔大学的一个研究小组评估了激光-热推进系统的潜力。根据他们的研究,一个依靠新型推进系统的航天器——激光被用来加热氢气燃料——可以将到达火星的过境时间减少到仅45天。

这项研究由Emmanuel Duplay领导,他目前是代尔夫特理工大学航空航天工程硕士生。他与安德鲁·希金斯副教授和麦吉尔大学机械工程系的多名研究人员一起工作。他们的研究题为“利用激光-热力推进的快速过境火星任务的设计”,最近该方案提交给了《天文学和天体》杂志。

近年来,定向能(DE)推进一直是相当主流的研究主题。这方面的例子包括星光计划——也被称为星际探索定向能推进(DEEP-IN)和定向能星际研究(DEIS)计划,由菲利普·卢宾教授和加州大学洛杉矶分校实验宇宙学小组(ECG)开发。作为2009年开始的美国航空航天局资助的研究的一部分,这些计划旨在为星际任务探索大规模定向能应用。

还有Breakthrough Starshot和Dragonfly研究项目,这两个项目都是由星际研究计划(i4iS)在2013年主持的设计研究中产生的。这些概念要求用一个千兆瓦功率的激光阵列将光帆和小型航天器加速到光速的一小部分(又称相对论速度),以便在几十年内到达附近的恒星系统,而不是几个世纪或几千年后。

虽然这些概念都是以星际为重点,但Duplay和他的同事们探讨了星际概念的可能性。

“定向能推进的最终应用是将光帆推进到星际,进行真正的星际旅行,这种可能性促使我们的团队进行这项研究。我们对激光技术如何用于太阳系的快速运输感兴趣,希望这将是一个能够证明该技术的工作。”Duplay说到。

除了激光帆板推进,DE正被探索用于其他几个空间探索。这包括与航天器和永久阴影栖息地之间的动力传输(如阿特米斯计划)、通信、小行星防御和寻找可能的技术特征。还有关于激光-电力航天器的概念正在被美国航空航天局评估,并作为加州大学洛杉矶分校实验宇宙学小组和麻省理工学院之间合作研究的一部分。

在这种应用中,激光被用来向航天器上的光伏阵列提供电力,这些电力被转换为霍尔效应推进器(离子发动机)的动力。这个想法类似于核电推进(NEP)系统,其中激光阵列取代了核反应堆的位置。正如Duplay所解释的,他们的概念是相关的,但又是不同的。

“我们的方法是对这些概念的补充,因为它使用相同的相控阵激光器概念,但将在航天器上使用更强烈的激光流量来直接加热推进剂,类似于一个巨大的蒸汽壶。这可以让航天器在仍然受地球引力影响时迅速加速,因此激光不需要聚焦到空间那么远。”Duplay解释道,“我们相信,我们甚至可以使用相同的激光动力火箭发动机将助推器带回地球轨道,在它将主运载工具抛向火星之后,使其能够快速回收,用于下一次发射。”在这方面,Duplay和他的同事提出的概念类似于核热推进(NTP)系统,其中激光取代了核反应堆。除了DE和氢推进剂之外,激光-热能航天器的任务架构还包括来自其他架构的若干技术。

Duplay指出,“作为单一光学元件的光纤激光器射线,当激光束到达航天器进入加热室时可用于聚焦的充气式空间结构,以及开发高温材料,使航天器在到达时能抵御火星大气层的冲击。”

鉴于火星上没有激光阵列,一旦航天器到达火星就会减速,这最后一个因素是至关重要的。“充气反射器是其他定向能架构的一个关键:被设计成高度反射,它可以维持比光伏板更大的单位面积激光功率,与激光-电力推进相比,这个任务以适度的激光阵列尺寸是可行的,”Duplay补充说。

通过结合这些元素,激光-热能火箭可以实现非常快速的火星任务,时间将短至六周——这在以前被认为只有核动力火箭发动机才可能做到。最直接的好处是,它为深空飞行的危险如长期暴露在辐射和微重力下,提出了一个解决方案。

同时,Duplay说,这项任务带来了一些障碍,因为所涉及的许多技术都是尖端的,还没有经过测试。“激光加热室可能是最重大的挑战。我们能否在激光束将氢气(推进剂)加热到超过10000K的温度时保持耐受,同时保持室壁的冷却。目前的模型认为这是可行的,但尚不能进行全面的实验测试,因为我们还没有建造所需的100兆瓦激光器。”

虽然这个拟议的任务架构中的大部分技术以及其他类似的提议仍处于理论和开发阶段,但它们的潜力是毋庸置疑的。将到达火星的时间减少到几周而不是几个月,将解决火星任务的两个最大挑战,主要是为了后勤和健康考虑。

此外,在地球和火星之间建立一个快速运输系统,将加速地球和火星之间基础设施的建立。这可能包括在火星轨道上建立一个类似Gateway的空间站,就像洛克希德·马丁公司提议的火星大本营,以及一个激光阵列来减速进入的航天器。这些设施的存在也将加速在火星表面建立永久性人类存在的计划。正如希金斯教授所总结的:“Duplay领导的火星45天飞行设计研究的动机,是探索菲利普·卢宾小组正在开发的相控阵激光技术的其他应用。通过激光向太空深处输送能量的能力将是一项颠覆性的推进和动力技术。我们研究考察了激光热能方法,这看起来令人鼓舞,但激光技术本身才是真正的游戏规则改变者。”


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