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星际旅行准备出发

来源:《大自然探索》 编辑:刘安立 时间:2019-10-09

1936年10月31日,被称为“火箭男孩组”的6名年轻学者在一次挣脱地球引力的尝试中差点让自己焚身。当时,他们聚集在美国加州圣加布里埃山脚下的一个冲沟里,测试一部以酒精为燃料的喷气发动机。他们想证明火箭发动机能够进入太空,而当时这种理念被认为荒唐可笑。在这次实验中,一根氧气管着火后猛烈摆动,喷发火焰——实验失败。

“火箭男孩组”的大胆尝试引起了空气动力学家卡门的注意。实际上,卡门在加州理工学院已经和这个男孩组的两名成员共事过。后来,在“火箭男孩组”这次实验现场不远处,卡门建立了一个小型实验区,“火箭男孩组”在这里重新进行实验。1943年,这里变成了“喷气推进实验室”(即今天美国宇航局中的同名部门,简称JPL),卡门是该实验室第一任主任。今天的JPL规模宏大,雇员数千,但其创立目的一直没变,那就是——摒弃传统,挑战探索极限。

多年来,JPL获得了许多成功。JPL工程师在20世纪70年代初建造的先锋10号,是达到太阳系逃逸速度的第一艘飞船。在这之后几年,他们建造的旅行者1号和2号飞船成为速度最快的星际空间探索飞行器。从太空时代开始到两艘旅行者号飞船发射之间仅仅经过了20年,而火箭科学家就己实现了飞船速度翻倍。但在这之后几十年,只有一艘飞船跟随旅行者号的步伐向太阳系外冲去,而在提高飞船速度方面则停步不前。现在,JPL的火箭工程师们再度跃跃欲试,谋划下一次大飞跃。

这些工程师认为,只在太阳系以内转来转去是不够的,飞到已知行星以外去、甚至飞往其他恒星的时间已到。JPL飞行工程师布罗非正在研发的一种新型发动机,有可能让太空飞行速度增加10倍。JPL任务构建工程师阿尔卡来正在策划以飞行器飞向太阳为开端的远程旅行。而JPL科学家图瑞谢夫的理念恐怕是最狂野的,那就是让一部太空望远镜看清太阳系外类地(类似地球)行星的表面细节。

上述任务都有半科幻性质,但就算其中只有一项能够成功,其意义也非同凡响。“火箭男孩组”及其同事帮助人类进入了太空,而新一代JPL人则可能让人类进入星际空间。

“突破摄星”

布罗非的灵感来源于“突破摄星”计划。这个大胆过头的计划由英国科学家霍金和俄罗斯亿万富翁米尔纳在2016年提出。该计划的终极目的是建造一个1.6千米宽的激光阵列,用它把一部微型飞船加速到光速的20%,从而让飞船仅用20年时间就飞到半人马座阿尔法星系(与地球距离最近的另一个恒星系统)。

布罗非对“突破摄星”挣怀疑态度,但他同时又认为这个设想有趣。离奇的想法对布罗非来说并不新鲜,因为JPL向来鼓励突破传统思维,所以JPL内部包括布罗非本人的设想越来越新奇、胆大。但就算以这个标准来看,布罗非仍然觉得“突破摄星”太过远离技术现实。不过,他还是开始思考:缩小版的“突破摄星”计划是否可能在百年内变成现实?

布罗非最感兴趣的理念是,使用“突破摄星”风格的激光束来对付“火箭等式”。该等式把飞船运动与飞船搭载的推进剂数量联系起来。如果想飞得更快,就需要更多燃料,而更多燃料意味着飞船更重。这就是要用一枚超大型火箭发射一艘816千克的旅行者号飞船的原因。

从20世纪70年代末的研究生阶段开始,布罗非一直在研发一种有效性大大提高的火箭技术——离子推进。离子发动机运用电能把带正电的原子(称为离子)高速喷出推进器。每个原子只能提供很小的推力,但所有原子合起来能比常规化学燃料把火箭推至快得多的速度。更好的是,运转离子发动机所需的电能可以来自太阳能电池板,这样就无需船载燃料或发电机。通过从较少推进剂中获得更快的速度,离子发动机在驯服“火箭等式”方面前进了一步。

但离子发动机也有自身缺陷。它们离太阳越远,它们的太阳能电池板发电量越少。当然可以把电池板做得更大,但离子发动机的重量也大大增加。此外,离子发动机自身推力太小,离子火箭根本就飞不起来。离子发动机驱动的飞船升空后,要经过长时间才能让自己加速到破纪录的速度。布罗非深知这些问题。他参与设计了美国宇航局“黎明号”飞船上的离子发动机设计,该飞船最近完成了为期11年、对小行星灶神星和矮行星谷神星的造访。就算“黎明号”的太阳能电池板直径达20米,该飞船的速度从每秒0千米加速到60千米也花了4天时间。

离子发动机

正当布罗非为发动机效率与太阳能电力限制之间的矛盾而苦恼时,“突破摄星”计划公布。布罗非顿悟:如果用高强度激光束代替阳光对准飞船,会怎样呢?在效率更高的激光推动下,离子发动机运转更有力,但同时又降低自身重量,因為飞船无须搭载电源。

在有了这一顿悟的两年后,布罗非在JPL的小型实验室中制造了一部高性能离子发动机。它使用的锂离子比“黎明号”使用的氙离子轻得多,因此达到较高速度所需的能量也较少。新离子发动机的运转电压为6000伏特,而“黎明号”的为1000伏特。布罗非指出,如果采用激光来为新离子发动机供电,那么发动机的效率会更惊人。

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