更先进的航天器推进方式:电磁推进让航天器飞得更远!

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几十年来,太空旅行的唯一手段是依靠化学推进作用的火箭发动机。如今,在21世纪,航空航天工程师正在设计将我们带入太空的创新方法,包括光推进、核聚变推进和反物质推进,还提出了一种新型的缺少推进剂的航天器。在太空中,电磁体会发生震荡,依靠震荡来推进这种类型的航天器,这种依靠电磁推进的方法,将比其他任何一种推进方式让航天器飞得更远。

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当冷却到极低的温度时,电磁体会表现出异常的行为:在对其通电后的最初几纳秒内,它们会振动。美国能源部高能与核物理办公室的项目经理戴维古德温(DavidGoodwin)提出,如果可以将这种振动控制在一个方向上,那么它可能会产生足够的震动,从而推进加速航天器,这种推进方法将使航天器在太空中飞得更快、更远。

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古德温受邀在2001年7月8日在犹他州盐湖城举行的联合推进会议上发表他的想法。在文中,您将了解古德温的电磁推进系统是如何工作的,以及它如何将航天器送入太空。

进入太空

美国能源部(DOE)通常不从事为NASA开发推进系统的业务,但它一直在致力于开发更好的超导磁体和非常快速的大功率固态开关。在1990年代中期,古德温主持了美国国家航空航天局(NASA)的突破性推进物理项目,该项目致力于设计无推进剂、利用超高能量并最终可以克服惯性的推进系统。

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古德温说:“看来美国能源部科学家正在开发某种技术来帮助NASA实现其目标,而电磁推进的方法就来自于该项目。”美国能源部研究的灵感来自于古德温提出的一种空间推进系统的想法,该系统使用了每秒可振动400,000次的超冷却、超导磁体。如果可以将这种快速脉冲指向一个方向,则可以创建一个非常有效的空间推进系统,其速度可以达到光速的百分之一。

在电磁体开始的前100纳秒(十亿分之一秒)内,电磁体处于非稳定状态,因此可以非常快速地产生脉冲。在其上升之后,磁场达到稳定状态不再有脉冲发生。古德温描述了他制作的螺线管的电磁体,它基本上是包裹在金属圆柱体上的超导电磁线。整个结构的直径为30.5厘米,高度为91.4厘米,重量为25千克。用于该推进系统的金属丝是铌锡合金。这些线束中的几根将被包裹在电缆中。然后用液氦将该电磁体过冷至4开氏度(-452.47F/-269.15C)。

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为了使磁体振动,需要使磁场不对称。古德温有意将一块金属板引入磁场中以增强振动。该板将由铜、铝或铁制成。铝板和铜板导电性能更好,对磁场的影响更大。该板将被充电并与系统隔离以产生不对称性。然后,在允许磁铁沿相反方向振动之前,极板会在几微秒(百万分之一秒)的时间内耗尽电量。

“现在,这里的问题是,我们能否利用这种非稳状态,仅在单一方向产生振动?”古德温说,“这是不确定的地方,这就是为什么我们想做一个实验来找出原因。”与波音公司的合作一起,古德温正在寻求美国宇航局的资助来进行这样的实验。

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该系统的关键是固态开关,它将调节从电源发送到电磁体的电流。该开关基本上每秒打开和关闭电磁体40万次。固态开关看起来有点像超大的计算机芯片——这是一个冰球大小的微处理器。它的工作是获取稳态功率,并在30安培和9,000伏特下将其转换为每秒400,000次非常快速的高功率脉冲。

在下文中,您将学习系统从何处获取能量以及如何将未来的航天器发送到太阳系之外。

飞出太阳系

在2006年,美国能源部已制定NASA核空间反应堆的计划。古德温(Goodwin)认为,该反应堆可用于为电磁推进系统提供动力。美国能源部在美国国家航空航天局(NASA)资金支持下,到2006年年底,一座300千瓦的反应堆已准备就绪。

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古德温说:“对于探索深空、火星及其他行星,核能能为所有航天器提供持久能量。”

该反应堆将通过感应核裂变过程发电,该过程通过分裂原子(例如铀-235原子)来产生能量。当单个原子分裂时,它释放出大量的热量和伽玛射线。一磅(0.45千克)高度浓缩的铀(如用于为核潜艇或核航空母舰提供动力的铀)相当于约380万升汽油。一磅铀仅相当于棒球的大小,因此它可以在不占用太多空间的情况下长时间为航天器供电。在太空中,这种核动力、电磁推进的航天器将能够穿越难以置信的遥远距离。

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“我们不可能到达最近的恒星,但是它可以执行飞越太阳风层的任务。”古德温说,”如果它运行得非常好,它的速度可能会达到光速的1%。即使如此,到达最近的恒星也需要数百年的时间,这仍然是不切实际的。”

太阳风层是太阳的太阳风与其他恒星产生的星际太阳风相遇的地方。它位于离太阳约200天文单位(AU)的位置,一个AU等于太阳到地球的平均距离,即约1.5亿公里,对比一下,冥王星距离太阳39.53AU。

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为了运载人员,必须建造更大的设备,但直径为30.48厘米(1英尺),高为91.44厘米(3英尺)的电磁装置,可以将小型无人航天器(如星际探测器)推到距离地球很远的地方。据古德温(Goodwin)称,该系统非常高效,并且通过超导体可以提供大量动力。问题是科学家是否可以在不破坏磁铁的情况下将这种动力转换成推进力。快速振动可能会使磁铁达到其强度极限。

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但,一些持怀疑态度的科学家则认为,古德温所能做的就是使磁铁快速振动,其他根本不能实现。古德温承认,目前还没有证据表明他的推进系统能够产生实际作用。他接着说,在100年前,人们也不相信我们能有机会进入太空,可我们在太空飞行已成为了常态(国际空间站),并准备登陆火星。古德温认为,我们将会使用电磁推进系统把航天器推送到更遥远地方。

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