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到月球建核热推进传送器?NASA星际探索稳步推进

2019-12-11 10:53:16 来源: 环球网 举报
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(原标题:到月球建核热推进传送器?NASA星际探索正稳步推进中)

【环球网军事/航空报道】2019年,美国在星际探索方面动作频频。先是今年3月26日美国副总统彭斯表态要继续推进太阳系探索计划,并雄心勃勃的提出要在2024年让美国宇航员重返月球。接着,5月22日,美国国会批准了NASA(美国航空航天局)1.25亿美元用于开发核热推进技术的预算。7月2日,NASA成功测试了猎户座宇宙飞船(Orion)的发射中止系统(LAS),标志着阿尔特弥斯(Artemis)月球任务迈入了一个新的里程碑。最近,NASA动用巨型运输机“超级古比鱼”将猎户座飞船运送到俄亥俄州进行极低温环境测试,完成后再将之送回佛罗里达州,以安装到专门为之设计的大推力“太空发射系统”(SLS)上。

猎户座宇宙飞船飞行模拟画面

猎户座飞船现在的任务是为登月任务运送和建立一个称之为“门户”的月球观察平台,作为宇航员登月的中转站,意味着比原先的设计携带更多的设备,因而需要拥有105吨的近地轨道运载能力。承担猎户座飞船发射任务的“太空发射系统”目前有效载荷是77吨,最终可扩展到143吨。“太空发射系统”拥有的两个固体火箭能够提供持续126s、单个高达3,600,000磅的推力,4个RS25液体火箭发动机能够提供持续8分钟、单个高达512,000磅的推力。

在月球发射核热推进传送器的优势

美国自阿波罗登月之后,花大力气重启登月计划,难道仅仅是为了把宇航员送上月球这么简单?其实,这只是NASA星际探索计划的一个小小的演练。重返月球将为NASA将宇航员送上火星并返回地球做好工程和基础设施上的能力储备。星际探索的一个基本保障是拥有一个先进的火箭引擎确保我们高速到达遥远的宇宙目的地,而热核动力推进在深空旅行中将是最优先的选择。更好的核动力能让我们飞到更远的距离。而在月球上建立一个“核热推进传送器”,将比一般的化学推进火箭能更高效地把人员和物质从近地轨道传送到空间站中。

在月球上建立“核热推进传送器”比地球有什么优势呢?“核热推进传送器”的反应堆重启次数将可以达到160次,以每半年一次飞行任务统计,将可以服役20年。每次任务运行时间可达到90分钟。由于反应堆芯的冷却出口温度相对较低(1700K),将确保反应堆很高的重启能力。相对较低的反应堆芯的冷却进口压力(3102kPa)可以在机理上实现更简单可靠的设计。因此,月球上的低温、低压条件将允许一些在地球上无法采纳的设计:例如极端高温的燃料棒、高压反应堆芯、高重启能力下的多任务架构设计等等。

核推进火箭的背景和进展

核推进火箭于上世纪60年代在NERVA(NuclearEngineforRocketVehicleApplication)项目中提出,作为一种理想的兼顾高推力和高效的系统,核热推进将铀做成核裂变反应堆芯的燃料棒,将氢气作为冷却剂。穿过类似蜂窝结构的反应堆芯后,吸取了大量热量的高温等离子氢气经喷管高速排出后即产生巨大推力。

月球基地想象图

第三代核推进火箭“美洲小燕”(Pewee)采用液氢作为推进剂,可以产生25,000磅的推力,推重比为3.5比1,比冲为940秒。随着飞行任务时间的增加,液氢由于易于汽化,其储存成为长期飞行的卡脖子难题。液氨则可有效解决这一难题。氨气液化温度为195.5K,当处于太阳阴影面时,液氢在宇宙中可以保持足够低温而不会汽化,因此,还可以将富余的液氨储存在近地轨道的“气站”中。

用液氢作为推进剂,Pewee核反应堆只能运行四回,可能是受限于运行温度(>3000K)和运行压力(1000psi,6894kPa)过高。而用液氨作为推进剂,重量为3732磅,预测可产生6.7比1的梦幻般的推重比。燃料棒可在1700K温度下运行,运行压力为450psi(3102kPa),真空推力为25,000磅时,可产生233秒的真空比冲;当运行压力提高到1200psi(8273kPa),真空推力为26,248时,可产生245秒的真空比冲。核反应堆将从较低运行温度和较高运行压力的设计中受益。

正在研制中的猎户座飞船

NASA星际探索雄心再现

钢铁侠的父亲说过,他有很多雄伟蓝图,受限于那个时代而无法实现,随着工业水准的提高、更先进材料的出现、机理的突破,核热推进火箭从理论设计、地面试验正在向小型化、实用化走来。核热推进火箭的比冲为化学燃料火箭的两倍,可以使到达火星的时间缩短一半,一旦飞行试验成功,人类登上火星甚至更遥远的星系就不再是那么遥远的事。目前,NASA已经为载人探月建造了猎户座宇宙飞船,内置了很多可以帮助其深入探索太阳系的新技术,其乘员舱可维持宇航员深空旅行,并提供深空返回速度下的安全再入。先实现登月,利用月球低温、低压、低重力的条件,探索各种新技术的可能,再借助核热推进火箭,让载人飞船走向深空,NASA的星际探索正稳步推进中。(李泽梁)

部分文字参考引用:

1.综述,美2024年重返月球:彭斯雄心勃勃一些专家却不买帐,北晚新视觉网,2019-03-28

2.Tracyisme编译,美国会资助1.25亿美元发展核热推进,只用在深空探索领域吗,搜狐军事,2019-05-23

3.周舟,美“猎户座”飞船成功完成发射中止逃逸测试,新华社,2019-07-02

4.芝士情报局,NASA巨型运输机“超级古比鱼”将猎户座飞船运送到俄亥俄州,网易科技频道,2019-11-27

5.Moran,R.,LunarNuclearThermalSupport,N180006388,NASA,2018

6.木秀林,网易科学人,美国猎户座飞船想要征服火星!要先克服这5大难题!,网易科技频道,2018-08-09

李再兴 本文来源:环球网 责任编辑:李再兴_NBJS9026
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