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如果说化学燃料无法把人类送出太阳系,那么未来星际航行靠什么?

化学燃料推进器的比冲量很有限,无法实现载人星际旅行,人类要想彻底离开太阳系,必须发展新一代的推进器,比如太阳风推进器,离子推进器等等,而理想的能量则来自于可控核聚变。

化学燃料推进器的比冲量很有限,无法实现载人星际旅行,人类要想彻底离开太阳系,必须发展新一代的推进器,比如太阳风推进器,离子推进器等等,而理想的能量则来自于可控核聚变。

在上世纪,美国首先实现了载人登月,从地球轨道到月球之间的转移,阿波罗系列飞船使用了液氢和液氧作为燃料,其中携带的燃料基本占了整个飞船重量的一半。

对于把飞船从地面运送到地球轨道的土星五号,第一级总质量大约2300吨,其中燃料(液氢+液氧)占了2160吨,第二级总质量大约500吨,其中燃料占了456吨,第三级总质量大约120吨(只是壳体和发动机,不包括阿波罗飞船),其中燃料占了110吨。

由此可见,传统的化学燃料推进器效率非常低,为了把大约45吨(包括飞船自身燃料)的阿波罗飞船送上月球,整个过程差不多消耗掉2700多吨的燃料,如果要把载人飞船发射到更远的地方,消耗的燃料会更多。

比冲量

描述推进器效率的关键参数是比冲量,指单位质量的推进剂所能产生的冲量,比如液体火箭推进器的比冲量为2500~4500N·S/kg,固体火箭推进器的比冲量为2000~3000N·S/kg。

液体火箭推进器和固体火箭推进器都使用化学燃料,其原理是燃烧化学燃料产生高温高压的气体,然后利用反作用力来推动火箭前进,决定推进器效率的就是气体离开火箭时的相对速度,对于化学燃料火箭来说,燃烧温度可达3000~5000℃,产生的推力很大,但是持续时间短,很快就会把燃料消耗殆尽。

离子推进器

也称作等离子发动机,是下一代最具潜力的航天发动机之一,其原理是把气体电离,然后在强电场的作用下把离子高速喷出,瞬间温度可达100万度,效率是常规化学推进器的数十倍,理论上可以把航天器加速到100公里每秒的速度以上。

离子推进器喷出的是等离子,产生的推力比不上常规化学推进器,但是离子推进器可以维持长时间的推力,最终把航天器加速到很高的速度,比冲量很高。

目前离子推进器已经有了应用,比如日本的隼鸟二号探测器,美国的黎明号探测器等等,但是只做为调整姿态的辅助推进器。

太阳帆推进器

太阳帆也是一种理想的航天推进器,利用太阳光产生的光压,对飞船进行缓慢的加速,也许加速度只有0.00001g,但是长时间的加速也能让飞船达到很高的速度,而且整个过程不需要消耗飞船本身的能源,只要附近有恒星即可,缺点是距离恒星太远后,加速效果会大大降低。

星际航行的能源

如果人类要想离开太阳系,离子推进器配合可控核聚变是最理想的搭配,可控核聚变提供源源不断的能量,离子推进器则把能量转化为飞船本身的动能。

目前各个大国都在全力研发可控核聚变技术,比如中国的“人造太阳”,美国的激光点火技术等等,一旦可控核聚变技术得到攻克,人类就能彻底解决能源问题,彻底摆脱对化石燃料的依赖。

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