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核聚变推进器工作原理

发布时间:2019-12-31 12:23    点击次数:172次   

  核聚变推进器工作原理 核聚变推进器工作原理 迄今为止人类登上月球已不下数次并且飞入地球轨道也没有太多新奇。对于国际空间站上的一些宇航员来说太空甚至成了一个长期定居场所。不过考虑到太阳系的浩瀚广袤我们也只是刚刚向太空迈出了一小步更不用说无垠的宇宙了。并且拜访火星和其他行星已经超出了传统火箭发动机的能力范围。目前美国国家航天航空管理局(NASA)正在开发一些高级推进系统包括利用太阳能的推进装置。 NASA 供图 艺术家笔下以核聚变为动力的太空船正在接近土星的卫星土卫六。 从本质上说靠核聚变提供动力的太空船...

  核聚变推进器工作原理 核聚变推进器工作原理 迄今为止人类登上月球已不下数次并且飞入地球轨道也没有太多新奇。对于国际空间站上的一些宇航员来说太空甚至成了一个长期定居场所。不过考虑到太阳系的浩瀚广袤我们也只是刚刚向太空迈出了一小步更不用说无垠的宇宙了。并且拜访火星和其他行星已经超出了传统火箭发动机的能力范围。目前美国国家航天航空管理局(NASA)正在开发一些高级推进系统包括利用太阳能的推进装置。 NASA 供图 艺术家笔下以核聚变为动力的太空船正在接近土星的卫星土卫六。 从本质上说靠核聚变提供动力的太空船是要通过设计 l 来重现太阳核心区域所发生的那种高温反应。这些反应会释放出巨大的能量它们由发动机排出以提供推动力。利用这种推进系统太空船可以加速行进大约只用三个月就能抵达火星。而乘载传统的火箭到达火星至少也要七个月时间。 在本文中您将了解到什么是核聚变NASA 在建造核聚变推进式太空船领域已经取得了哪些进展。 在太阳核心的内部每秒都进行着数百万次的核聚变反应人类和我们的星球都在从中获得光线和能量。如果没有这些反应地球上将没有任何光线或温度生命也可能会灭绝。当两个氢原子发生碰撞而生成较大的氦 4 原子时将释放巨大的能量这一过程称为核聚变反应。下面是这一过程的经过 两个质子反应生成一个氘原子、一个正电子和一个微中子。一个质子和一个氘原子结合生成一个氦-3 原子(两个质子和一个中子)并释放出伽马射线 原子反应生成一个氦-4 原子(两个质子和两个中子)和两个质子。核聚变只能发生在高达数百万度的高温环境中。恒星由等离子体构成是自然界中温度足以生成核聚变反应的唯一物体。等离子体通常称为物质的第四态它是一 种由剥离了一些中子的原子构成的电离气体。太阳有 85%的能量靠核聚变反应提供。 由于生成这种等离子体所需的温度极高因此不可能将它盛放在用任何已知材料制成的组件中。但是等离子体是一种良好的导电体从而可以使用磁场来容纳、引导和加速它们。这就是制造核聚变推进式太空船的基础NASA 认为这一目标有望在 25 年内实现。在下一部分中我们将介绍一些正在开发中的具体的核聚变发动机项目。 核聚变反应能释放出巨大的能量这就是为什么研究人员想方设法在推进系统中利用这一能量的原因。靠核聚变提供动力的太空船可使 NASA 提前完成人类登陆火星的太空行动。这种太空船可将抵达火星的行期缩短 50%以上从而大大减少了人类在辐射和失重状态下所受的伤害。 建造以核聚变为动力的太空船就好比在地球上制造一辆超级汽车它的速度是任何其他汽车的两倍燃油效率达到每升近 3,000 公里。在火箭学科中火箭发动机的燃油效率用它的比冲来衡量。比冲是指在一定时间内消耗单位推进剂所产生的推动力。 核聚变动力产生的比冲大约是传统化学火箭发动机的 300 倍。典型化学火箭发动机的比冲约为 450 秒这表示发动机每 450 秒会消耗近 1 斤的燃料并可以产生近 1 斤的推动力。据估计核聚变火箭的比冲为 130,000 秒。另外以核聚变为动力的火箭将使用氢气作为推进剂。这意味着其燃料可在太空旅行中自动补充。很多行星的大气中都含有氢气因此太空船只需浸入大气层并吸收一些氢气即可补给燃料。 此外化学火箭很快就会消耗完自己的燃料与化学火箭相比核聚变推进式火箭的推动力则更加持久。据说核聚变推进器可使我们快速抵达太阳系中的任何位置只需两年我们就可以在地球和木星之间打个来回。下面我们来介绍两个 NASA 核聚变推进器的项目。 可变比冲的磁等离子体火箭(VASIMR) VASIMR 实际上是一种等离子体火箭这种火箭是核聚变推进器的前身。但是由于核聚变推进式火箭将使用等离子体因此研究人员可从这种火箭中汲取大量经验。VASIMR 发动机十分神奇它可以在极热的条件下生成等离子体并通过发射等离子体来提供推动力。VASIMR 发动机中有三个基本单元。 前部单元--此单元中注有推进气体(通常为氢气)这些气体将被电离以生成等离子体。中部单元--此单元充当放大器它用电磁能量进一步加热等离子体。无线电波将用于增加等离子体的能量其原理就类似于微波炉。尾部单元--磁性喷嘴可将等离子体的能量转化为喷气口的速度。另外用于发射等离子体的磁场还可以防止等离子体接触到太空船的外壳从而对太空船起到保护作用。等离子体很可能损坏它接触到的任何材料。从喷嘴喷出的等离子体的温度高达摄氏 1 亿度。该温度是航天飞机所排气体的 25,000 倍。在开赴火星的太空行动中VASIMR 发动机将在前半段旅程中持续加速而在后半段旅程中则通过逆向运转来减速。可变排放等离子体火箭还可以用于定位地球轨道中的卫星。 气动镜式核聚变推进器 与 VASIMR 同时开发的还有气动镜式(GDM)核聚变推进系统。在这种发动机中包含等离子体的真空室周围缠有一个长而纤细的带电线圈其作用就类似于一块磁铁。等离子体则被限制在该系统中央部分所生成的磁场中。发动机的两端都装有磁镜可防止等离子体过快地溢出发动机两端。当然它也需要泄漏一些等离子体来提供推动力。 通常情况下等离子体很不稳定难以限制这令镜式核聚变推进器的早期试验很难进行。气动镜的设计长而纤细可使磁场线直接穿过系统从而能够避免这种不稳定性问题。此外气动镜的狭窄部分还允许泄漏一定量的等离子体以便对这种不稳定性进行控制。 1998 年NASA 的 GDM 核聚变推进器试验在测试等离子注射系统(类似于VASIMR 的前部单元)时生成了等离子体。该系统将气体注入 GDM 中然后用频率为 2.45 千兆赫的微波炉天线对该气体进行电子回旋加速器共振加热(ECRH)。目前该试验用于确认 GDM 概念的可行性。此外研究人员还在探索标准发动机的很多操作特征。 虽然许多 NASA 高级推进概念距实现还有几十年之遥但核聚变推进器的基础已经建立起来。在新技术出现之前我们可能要乘载核聚变推进式太空船开赴火星。到 21 世纪中叶去火星旅游可能会变得像飞往国际空间站一样平常。

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