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太阳能火箭比冲量胜于化学燃料,Nasa已用其深太空旅行

Steve Taranovich?? 2015年08月11日 ?? 收藏1
在今日的太空计划中,火箭推进燃料的选择一直都是化学品;化学推进燃料被证明对具有高推力-重量比(thrust to weight ratio),能让火箭脱离地球重力进入太空。那些化学推进燃料可将储存的能量转换成动能,但问题是在深太空旅行中,化学推进燃料的固有能量有其限制。

因此科学家开始研究太阳能电力推进(Solar Electric Propulsion,SEP)系统,这是一种可行的火箭推进力解决方案,将来自太阳能电池数组的太阳能转换为电力,然后以电力将推进燃料离子化、加速产 生推力。相较于包括化学燃料在内的其他推进方案,SEP拥有燃料效率以及推力表现更佳,其比冲(specific impulse)是化学燃料的1.5至1倍。

配备太阳能电池数组的SEP火箭外观可能是这样…(图片来源:NASA)
配备太阳能电池数组的SEP火箭外观可能是这样…(图片来源:NASA)

虽 然SEP的推力较弱,但其持续时间能比化学燃料更长。如果太空任务是对时间较不敏感的,SEP能以较少的燃料到达相同目的地,这意味着能将火箭载重量减少 20~50%,并因此降低火箭发射成本。为了催生SEP,美国太空总署(NASA)需要更大、效率更好以及更容易收起来的太阳能电池数组,如以下图片所示。

Mega- ROSA是一个深太空旅行SEP火箭推进系统所需之大型化、高效率太阳能电池数组设计案例 (图片来源:NASA)
Mega- ROSA是一个深太空旅行SEP火箭推进系统所需之大型化、高效率太阳能电池数组设计案例 (图片来源:NASA)

装配在SEP火箭上的Mega-ROSA太阳能电池数组示意图 (图片来源:NASA)
装配在SEP火箭上的Mega-ROSA太阳能电池数组示意图 (图片来源:NASA)

要 采用SEP火箭推进系统,还需要进一步开发更高功率的电源处理单元(Power Processing Unit,PPU);未来的PPU会需要达到近86%的高效率、符合太空应用规格的300V芯片,并支持100℃的高温运作。

高功率PPU控制/阀门驱动器 (图片来源:NASA)
高功率PPU控制/阀门驱动器 (图片来源:NASA)

你有关于深太空旅行火箭推进方案的其他想法吗?你认为上述研究能应用在哪些地球上的应用(NASA总是会尝试将研发的太空技术用以改善地球人类的生活)?

编译:Judith Cheng

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