刊登日期 : 11/08/2022
中国太空人或最快在2033年展开登陆火星的行程,但地球和火星距离上亿公里,单程飞行超过半年,是否有方法缩短时间呢?科学家现在研发核动力飞船,它的速度比传统飞船快得多,可以把飞行时间大幅缩短,中国太空人未来可望3至4个月就能飞抵火星。
钱学森上世纪40年代首提核动力飞船
目前各国的火箭和太空船,是以化学推进为主流动力形式,简单来说是藉燃烧燃料来产生动力,像日常的汽车一样。但这种推进方式能量密度低,效率低,也就是说火箭或飞船必须携带大量燃料以供消耗,而燃料所占重量和空间,势必蚕食了其他设备和物资的携带量。
以中国航天的火星探测器“天问一号”为例,它总重5吨,其中便有大约一半是燃料;专家曾透露,“天问一号”飞近火星时要“煞车”以进入火星轨道,这个动作便消耗了将近一吨燃料。
随着人类探索宇宙的脚步迈开,例如要远征火星,太空船用化学推进显然不是长远之计,所以中国、美国和俄罗斯的科学家,都在研发核动力推进的火箭和飞船;核动力推进能够提供极大的能量密度,无须摧带大量燃料,更适合超长距离太空飞行任务。
关于核动力火箭或飞船的研究,其实早于上世纪40年代已经开始,而首先提出核动力火箭概念的论文是1948年发表,这篇论文的作者正是“中国航天之父”钱学森;当年他仍在美国工作。
核动力飞船有核电和核热两种模式
经过数十年发展,核动力火箭和飞船渐进入实用化阶段。如今核动力推进主要有两种形式,分别是“核电推进”与“核热推进”。
核电推进是将核能转化为电能,它好比在太空船上建有一座微型核电厂,用作发电提供动力,而用电的推进设备包括离子推力器、霍尔推进器等。
这些电力推进器原理比较复杂,非三言两语可以说明,所以这里只提一点,就是中国太空站的天和核心舱,为世界首个使用霍尔推进器的航天器;当然,它并非使用核电。
更受科学家重视、被认为更适合作为航天器主要动力的,是核热推进。简单来说,它是将核能转化为热能,再利用喷管或者其他装置将热能转化为动能。
有报道引述专家称,核热推进系统的效率是化学推进的两倍多,这意味使用相同份量的推进剂,它产生的推力是化学推进系统的两倍,而太空船也能飞得更快,可望3、4个月便将人类从地球运送抵火星,比化学推进载人飞船快得多。
目前中国、美国和俄罗斯都已投入研发核热推进的火箭和飞船,希望作为载人探索火星,甚至更遥远星球之用,而中国的核热推进飞船,有望在未来几年投入测试。
中国探火飞船以3部核热发动机推进
事实上,中国航天集团一院院长王小军2021年6月在全球航天探索大会发表报告,当中除了讲述中国太空人登陆火星的“三步走”和总体设计外,亦提到核热推进是未来载人火星探测方案设计的重要选择。
他指出,在中国太空人登陆火星计划中,“地球上升阶段”,亦即把太空船组件等物资从地球送上太空,会使用7枚重型运载火箭和1枚载人运载火箭,这些火箭“采用化学推进剂”。
而未来的“地火转移运载器”,也就是从地球附近太空飞向火星的飞船,则会采用核热核电双模式,以3部10吨级推力的核热发动机作为主要动力,并利用核电装置为各分系统提供电源。
大家可以预期在不会太久的未来,中国太空人便会坐上飞得更快、更远的核动力飞船,探索火星和更遥远的星球。而到时他们的每次火星任务时间,或将比最初估计的3年大为缩短。
另外,王小军的报告还提到,中国将研制一种极为科幻的航天运输系统──“天梯”,作为航天器在太空的出发点,但这是后话。
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