光推进技术简介

2013-12-20 admin1 103

  20多年前,美国开始研制代号为“星球大战”的导弹防御系统。该系统旨在追踪其他国家发射的导弹,并使用激光器将其击落。虽然这个系统是为战争而设计,但研究人员发现这些高功率激光器还有众多其他用途。事实上,有朝一日激光器会用于将宇宙飞船推向轨道和其他星球。

  人类目前使用航天飞机飞向太空,而航天飞机要发射升空,除了要装好几吨燃料外,还必须绑两个巨大的火箭助推器。激光器可供工程师研制出无需装载能源的轻型宇宙飞船。光船本身可充当引擎,而燃料则是光 ——宇宙中最丰富的一种能源。

  光推进器的基本原理是用陆基激光器加热空气,令其爆炸并推动宇宙飞船。倘若奏效,光推进器不仅比化学火箭引擎轻数千倍、效率高数千倍,还不会造成任何污染。在本篇博闻网文章中,我们将了解这种先进推进系统的两个版本,其中一个只需五个半小时就能把我们从地球带往月球,而另一个则能带我们沿“光路”进行太阳系之旅。

  光推进火箭听上去就像科幻小说里的宇宙飞船 -- 乘着激光束进入太空,它只需少量或无需装载推进剂,而且还无污染。这似乎不可思议,因为人类尚未研制出任何与之相近的设备可用于地球上常规的地面或空中旅行。尽管实现这一目标可能还需要15-30年,但建造光船的原理已经成功实验了多次。一家名为Lightcraft Technologies的公司在继续改进始于伦斯勒理工学院(位于纽约特洛伊市)的研究。

  光船的基本原理非常简单——橡子形飞行器利用镜子接收并聚焦入射激光束,以加热空气并使之爆炸,从而推进飞行器。下面列出了这种革命性推进系统的基本组件:

  二氧化碳激光器——Lightcraft Technologies使用脉冲激光损伤测试系统 (PLVTS),这是星球大战防御计划的产物。试验光船目前使用10千瓦的脉冲激光器,也是全世界功率最大的激光器之一。

  抛物柱面镜——宇宙飞船的底部是一面镜子,可将激光束聚焦至引擎进气口或机载推进剂。还有一面看似望远镜的镜子充当次级陆基发射机,用于将激光束引导至光船上。

  吸收室——将进气引入吸收室,并由激光束加热膨胀,从而推动光船。

  机载氢——当大气过于稀薄,无法提供足够的空气时,需要少量氢推进剂提供火箭推力。

  光船发射前会喷射一股压缩空气,这些空气将使其以大约10,000转/分(rpm)的速度旋转。这种旋转对陀螺式稳定飞行器非常必要。以美式橄榄球为例:为了更精准地传球,四分卫会在踢球时加以旋转。将旋转施加给这种极轻的飞行器,就能让其更稳定地穿过空气。

  一旦光船以最佳速度旋转,激光器就会打开,从而将光船推向空中。10千瓦激光器发射脉冲的频率是25-28次/秒。通过发射脉冲,激光器会继续向上推动飞行器。光束由飞行器底部的抛物柱面镜聚焦,并将空气加热到9982-29982℃,比太阳表面的温度还要高好几倍。空气在高温下会转化为等离子状态,然后等离子发生爆炸并向上推进飞行器。

  Lightcraft Technologies公司得到FINDS的赞助(早期飞行由美国宇航局和美国空军资助),在新墨西哥州的白沙导弹试验场对一架小型光船样机进行了几次测试。2000年10月,直径12.2厘米、重量仅50克的小型光船达到了71米的高度。Lightcraft Technologies希望,能在2001年将该光船样机发送到150多米的高度。将一公斤的卫星送入低地球轨道需要1兆瓦特的激光器。尽管该模型是用飞机铝制成,但最终的标准光船可能会由碳化硅打造。

  这种激光光船也可以使用镜子,将其安装在光船内,投射飞船前方的光束能量。激光束发出的热量会形成空气钉,使飞船四周的空气转向,从而既能减小阻力,又能减少光船吸收的热量。

  目前有人正在考虑将另一种推进系统用于光船,其中涉及到微波。微波能量比激光能量更便宜,也更容易升级为较高的动力,但需要直径更大的飞船。为这种推进器设计的光船看上去更像飞碟(实际上我们正逐步将科幻变为现实)。与激光推进光船相比,开发这种技术需要更长的时间,但它能带我们去外行星。开发人员还设想修造数千架这种光船,由一队轨道电站提供动力,并取代传统的飞机。

  微波动力光船还会利用没有飞船之外的能源。使用激光动力推进系统时,能源是位于地面的。而微波推进系统则与之相反。微波推进宇宙飞船将依靠轨道太阳能电站向下传送的动力。能源并不会推离光船,而是将其拉近。

  要让微波光船飞行,科学家必须首先在轨道中安置一个直径为1公里的太阳能电站。领导光船研究的Leik Myrabo认为,这样一个发电站可产生高达20千兆瓦的动力。该发电站沿地球上空500公里的轨道运行,并向直径20米、可搭载12人的光船发送微波能量。飞行器顶部覆盖着数百万个小天线,可将微波转换成电流。只需两个轨道,发电站就能汇集1800千兆焦耳的能量,并向光船传送4.3千兆瓦的动力,供其驶入轨道。

  该微波光船会配备两个强大的磁体和三种推进引擎。光船起飞时会利用覆盖在顶部的太阳能电池产生电流。电流会电离空气,然后推动飞行器。一旦起飞,微波光船就会用内部反射器加热周围的空气,并穿过声障。

  上升到一定高度后,光船立即向一边倾斜,以获得超音速。然后,一半的微波动力在光船前方得到反射,从而加热空气并形成空气钉,使飞船以25倍音速穿过空气,飞入轨道。该飞行器的最高速度大约是音速的50倍。另一半微波动力则由飞行器的接收天线转化为电流,用于为两个电磁引擎供电。然后两个引擎对滑流(即飞行器周围流动的空气)进行加速。通过使滑流加速,飞行器就能抵消所有声震,让光船悄无声息地以超音速飞行。

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