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標題: 約翰霍普金斯大學展開太陽能推進探測器原型設計 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2020-12-4 12:41 AM 標題: 約翰霍普金斯大學展開太陽能推進探測器原型設計

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　　約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory﹐APL)工程師正在對以前的理論火箭設計進行原型設計﹐該設計可能有朝一日將太空船帶入星際空間(Interstellar Space)。他們利用太陽熱而不是燃燒原理來為火箭引擎提供動力。
　　與安裝在火箭尾部的傳統引擎不同﹐該實驗性太陽能引擎在外型上採用由黑碳泡棉製成的扁平防護罩。該引擎可兼做遮熱板﹐以保護探測器免受太陽強光的照射﹐在表面下方充滿氫氣的線圈繞管同樣發揮吸收太陽熱的作用。
　　氫氣膨脹﹑加壓﹐然後從噴嘴噴發﹐產生推力。科學家稱其為太陽熱推進(Solar Thermal Propulsion)技術。「從物理學的角度來看﹐我很難想像有什麼能在效率上擊敗太陽熱推進﹐」APL實驗室材料科學家Jason Benkoski指出﹐「但是你能阻止它爆發式的進展嗎﹖」。
　　Benkoski和他來自APL實驗室和NASA的同事最近在線上「第三屆年度星際探測器探索工作坊」分享了他們的設計。根據Benkoski的計算﹐這個真實版的引擎效率可能是當今火箭所用最先進化學燃燒引擎的3倍。在2019年﹐NASA與APL合作開展了星際探測器研究。這項研究將決定未來10年可能啟動的任務﹐以研究我們太陽影響範圍之外的科學。太陽系盡頭和星際空間起始點位置尚未完全達成共識﹐但有一個度量標準就是由太陽磁場和太陽風所構成太陽圈(Heliosphere)的邊界﹐他們將不能再被探測到﹐科學家稱之為太陽圈頂(Heliopause)。
　　APL正在尋找一種探測器﹐它能夠在不到20年的時間裡就航行到離太陽圈最外層3倍距離遠之處(500億英里遠)。為了弄清這一點﹐讓我們看一下目前航行距離最遠的紀錄保持者。
　　2012年﹐航海家1號(Voyager 1)太空船成為第一個脫離我們太陽系範圍的人造飛行物。1977年泰坦3號(Titan III)運載火箭從美國太空總署甘迺迪太空中心升空後﹐這艘太空探測器就展開了為期2年的木星之旅﹐在那裡它會被氣態巨行星(Gas Giant)巨大引力彈射而加速展開前往土星﹑天王星和海王星的旅程。航海家1號發射升空距今已近40年﹐距地球超過140億英里遠﹐並以時速38,000英里(mph)的速度航行。APL團隊希望透過將該太空船加速至200,000mph﹐並希望以原本一半的時間來完成旅行並打破這項紀錄。
　　為了實現這一目標﹐這艘太空船將必須首先完成另一項工作﹕在離太陽熾熱表面僅100萬英里處執行一次 Oberth效應操作﹐這個動作是由現代火箭技術創始人之一Hermann Oberth創造的﹐其透過太空船引擎進一步加速墜入重力井之中﹐進而充分利用天體的引力。這很像跑下山以獲得上山的動能。山越陡峭﹐或者你愈靠近像太陽這樣的重力天體﹐就愈容易獲得速度並讓能量最大化。但問題是太陽非常非常熱。
　　2025年﹐NASA帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)將執行最接近太陽的任務。它將以超過400,000mph 的速度航行到達距離太陽表面四百萬英里的地方﹐屆時將承受高達華氏2,500度的高溫。為了抵禦這個有如巨型核反應爐的熱量﹐NASA為其探測器配備了4.5英吋厚的碳複合材料防護罩。
　　如果APL計劃將探測器發送至距離太陽100萬英里處的話﹐那麼當它在進行Oberth操作時將需要承受華氏4,500度左右的高溫長達2.5小時之久。這就是為什麼NASA正在尋找可以包覆整艘太空船並能反射太陽熱之新材料的原因。此外﹐流經隔熱板的氫氣可以像散熱器一樣發揮作用﹐進而將熱能轉變成為推進劑。
　　「我們希望製造出比以往更快﹑更遠﹑更接近太陽的太空船﹐」Benkoski表示﹐「這就像你可能做過最困難的事情一樣」。Benksoski和他的APL同事計劃明年提交一份有關他們實驗性火箭設計研究的報告。

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