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发信人: wxl (小亮), 信区: Astronomy
标  题: 星际旅行的发动机(7)
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Apr  8 13:18:21 2005), 转信

　　经过几十年的发展，传统的化学火箭发动机在结构方面已经趋于成熟，目前对于未来发展方向的预期主要集中于对火箭构成材料以及化学燃料的改进方面。

　　在材料方面，发展目的是尽量降低火箭的重量，同时又不降低强度，甚至增加强度。

　　科学家们正在探索一种新的技术，它可以使传统的化学火箭变得更加“苗条”。例如有一种像蛛丝一样的材料（是一种超薄的薄膜），可能用于制作天线或光电线路板，以取代现在正在使用的大而重的部件，甚至可以用于建造提供飞船能量的太阳能帆板，使它每平米只有4-6克重。

　　一些合成材料，例如像用于碳化纤维网火箭和高尔夫球棒的合成材料，目前已经在保证安全性的条件下，广泛用于宇宙飞船的设计，它可降低飞船重量，但不降低其强度。一种被称为“碳纳米管”的新型碳材料发展很快，最好的合成材料的强度仅是钢材的3到4倍，而碳纳米管则是钢材的600倍。

　　兰利研究中心(美国著名的结构和材料研究中心)主任、科学家丹尼斯·布希纳尔解释说：“这个不同寻常的强度来自碳纳米管的分子结构，它们看上去有点像鸡肉卷进了一个四周是碳原子的六角型圆柱”。典型的碳纳米管大约有1.2-1.4纳米(1纳米只有一米的十亿分之一），仅是碳原子半径的十倍。


碳纳米管 
 


　　在上图的碳纳米管中，碳原子的格子像一个悬挂着的钉板。其他的原子和分子可以钉在上面并赋予纳米管特殊的化学、电子或热特性。


不同材料的强度比较 
 


　　碳纳米管的可拉长强度已经远远超过其他高强度的材料。上图的四个图柱(由左到右)分别代表碳纳米管，石墨纤维，芳香尼龙纤维B和不锈钢。注意垂直轴是它们的强度。图中的每一增量是10的乘方。

　　被国人在商业上大肆炒作的纳米技术在宇航科技中却是非常实际的东西。设想一下如果一个太空船自己有贮存能量的能力，不需要笨重的电池；或者它的表面不需要另加作用力就可以自动弯曲；或者电路可以直接接到航天飞机内部。当太空船使用的材料可以按照分子等级来设计时，就可能实现上述的整体结构。

　　人的皮肤可以自行愈合，有些性能先进的材料也可以做到这一点。能自行愈合的材料由被称为“离聚物”的长链分子构成，当像子弹这样的物体靠近它时，它就会有反应。太空船可以采用这样的“皮肤”，因为太空中到处都是从彗星和小行星发出的快速移动的像小子弹一样的碎片。一旦这些鹅卵石大小沙砾中的一个击穿太空船的盔甲，太空船就会出现危险。如果太空船的盔甲上有一层能够自己愈合的材料，就可以保证船舱万无一失。

　　人可以感受到他们身体任何部位的刺激，甚至最轻微的刺痛也可以引起人体的反应。这是一种令人惊奇的自我监控系统——可能是因为你的肌肤里有数百万用显微镜才能观察到的神经末梢，它们能将这些信号传递给大脑。

　　同样的，制造太空船应急系统的材料里，也可以装入纳米大小的传感器，这些传感器持续不断地监视材料的状况。如果某个部件出现故障——也就是它感觉到不妙时，这些传感器就会在事故发生前通知中央电脑。


压电材料 
 
　　左图是由美国宇航局兰利研究中心研制的压电材料，它可以“感觉”到材料的变形，例如，在它弯曲或承受表面压力时，它就有反应，产生一个微弱的电压，作为一个信号传给中央电脑。

　　分子电线可以将所有这些内部传感器传出的信号发送到中央电脑，而不需要使用数百万条电线来传递信号。纳米管可以担当这个角色，纳米管可以很方便的处于主导地位或是半主导地位，这取决于它们的构成。科学家们已经研制出其他的可伸长的分子电线，它们中的一部分自然而然的组装成有用的结构

　　在燃料方面，传统的化学火箭发动机一般使用二元燃料，其中以氢氧反应为多，也包括其他类型的反应，比如我国二级火箭芯级和助推器使用四氧化二氮和偏二甲肼做燃料，但总的来说液态的氢氧还综合性能最好的。还有许多其他类型的反应可以提供更大的能量输出，但却无法被传统的火箭发动机所利用，因为它们的产物是非气体的，而火箭发动机必须利用气体的喷射来提供推力，显然那些途径无法提供一个出路。

　　研究者希望，能够保持目前的推力标准，同时大幅度提高比冲量。我们可能会想到利用三元燃料可能会提升能量输出效率，许多火箭专家们也是选择这个思路，但迄今为止的实验结果比较让人失望，虽然的确能提高，但提高量非常小，而且还要增加发动机的复杂性。

　　大幅度提高传统火箭发动机效能的希望被寄托在高聚能物质(HEDM)上，这个概念还是比较新的概念，而且对于实际的潜力还知道得很少。途径是利用自由基(free radicals)或者亚稳定原子(metastable atoms)，自由基是至少有一个未配对的电子的原子或原子团，这使它具有高度的反应性；由于电子能级的改变而处于亚稳态的原子同样具有高反应性。研究认为，最具有可能的是原子氢(atomic hydrogen，一种自由基)和亚稳定氦(metastable helium)，预计其比冲量能分别达到2,100秒和3,150秒。而对比起来使用传统的燃料只能达到400秒，最多不超过500秒。

　　在原子氢方面，问题在于如何大量生产，目前的技术水平还达不到大规模生产的能力。而且即使解决了这个问题，也需要对火箭燃料储存系统，做大的改动，增加强大的磁场和和低温系统，这无疑将增加大量的重量，抵消了高聚能物质节省重量增加推力的好处。

　　亚稳定氦比自由基容易生产，使用激光或者粒子轰击都能把原子激发到亚稳定状态。但储存却非常困难，因为其寿命非常短暂。事实上，如果没有根本性突破，将完全无法用于发动机燃料。

　　使用金属氢也是被讨论得很多的途径，这种压缩的氢可以释放出大量的能量，比冲量能达到1,700秒以上；比重1.15，燃料本身并不重。但生产同样是非常困难的，需要1.4兆巴(1兆巴等于1百万个大气压)的压力，而有科学家估计需要高达5.6兆巴，通过冲击加热到3,000K。储存遇到的问题和亚稳定氦一样，因为如果减少对金属氢的压力，就会变成亚稳定状态。

　　这些高聚能物质遇到的共同问题是需要以低温固态方式储存，这既难以达到，更难以保持。而我们的火箭燃料箱还要加以改进，因为储存它们需要巨大的压力，燃料箱必须能够承受这种压力。如果我们无法找到承力强而重量轻的材料，恐怕就只有加固燃料箱一途，这意味着火箭的重量又要增加。


火箭。点击图片放大 
 


　　考虑到这些问题和其在比冲量上的改善程度，对传统化学火箭使用的燃料的改进恐怕不如前述的那些发动机推进方式更有前途。并且恐怕不适合长途的星际旅行，而只适合在近地空间完成任务。 

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※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.232.13]