太空船使用直接聚變驅動器只需兩年即可到達土衛六


融合力量(fusión power)是距今三十年的技術,而且至少在懷疑者看來,這種技術將永遠存在。雖然很難轉換成可靠的動力源,但為太陽提供動力的核反應在其它領域有廣泛的用途。最明顯是用在核武器上,到目前為止,氫彈是我們生產的最強大的武器。但是還有另外一種應用例子,它的破壞性要小得多,並且可能會變得更加有趣,這種就是用在推動太空船在太空飛行的驅動引擎。

普林斯頓等離子體物理實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory)以撒母耳·科恩(Samuel Cohen)博士為首的科學家和工程師團隊,正在開發一種稱為直接聚變驅動(Direct Fusion Drive)概念聚變驅動引擎。他們研究新一代,稱為普林斯頓磁場反向配置二代(Princeton field reversed configuration 2)的驅動系統。系統的開發人員希望將它送到到太空中進行測試,並且最終成為在太陽系中飛行太空船的主要驅動系統。太陽系其它天體之中已經有一顆特別值得探索的天體土衛六(Titan),它在許多方面都與地球相似。自從科學家首次開始收集它的數據以來,土衛六的液體循環和蘊藏生命的潛力吸引了科學家。根據羅曼·凱澤拉什維利(Roman Kezerashvili)教授和紐約大學理工學院物理系的一組航空航天工程師所做的研究,如果我們能夠正確利用直接聚變驅動引擎,則可以在不到兩年的時間,抵達土衛六。

雖然仍在開發之中,但直接聚變驅動引擎本身利用航空電子融合的優點,最顯著是有極高的功率重量比。直接聚變驅動引擎的燃料質量可能略有不同,包含氘(deuterium)和氦三(helium-3)同位素。即使使用相對少量極其強大的燃料,直接聚變驅動引擎的性能仍可勝過當今常用的化學或電力推進方法。直接聚變驅動引擎系統的特定脈衝可以衡量引擎使用燃料的效率,可以與目前最有效的電動引擎媲美。此外,直接聚變驅動引擎在低功率模式下可提供四 牛頓(Newton,是力的國際單位,簡寫 N)至五牛頓的推動力,僅略低於化學火箭在長時間內的輸出功率。從本質上講,直接聚變驅動引擎擁有出色的電力推進系統特定脈衝,如果將與化學火箭的出色推力相結合,融合兩種飛行系統的優點。

所有這些改進的規範都很好,但是為了有用,它們必須實際將太空船放到某個地方。紐約城市技術學院(New York City College of Technology)碩士論文作者馬可·加傑里(Marco Gajeri)選擇了土衛六,主要是因為它相距較遠,但由於其液體循環和豐富的有機分子和地球相似。為了繪製出土衛六的最佳路線,意大利團隊與直接聚變驅動引擎的普林斯頓等離子體物理實驗室開發人員合作,獲得進入測試引擎性能數據的權限。然後他們獲得了有關行星對準的其它數據,並開始從事某些軌道力學的研究。這導致了兩種不同的潛在路徑,一種路徑僅在行程的開始和結束時施加恆定的推力,另一種路徑在整個旅程期間用固定的推動力。

兩次旅行都涉及轉換推力方向,以減慢太空船的飛行速度,以便進入土星系統。提供恆定的推力將會使到飛行時間不到兩年,而開始和結束時施加恆定推力曲線將使比卡西尼號(Cassini)大得多的太空船的總飛行時間為2.6年。 這兩條路徑都不需要重力輔助,前往外行星的太空船通常會從中受益。 卡西尼號是上一次訪問土星系統的著名任務,它利用金星和地球之間的一系列重力輔助到達目的地,這一過程歷時近七年。馬可·加傑里說:「需要注意一件重要的事,是這些短途旅程最有效的窗口在2046年左右。雖然距現在還不到三十年,但確實為普林斯頓等離子體物理實驗室團隊帶來了很多好處,有更多時間來改進當前設計。」

【圖、文:節譯自今日宇宙網頁】研究全文刊登在2020年9月26日出版的 arXiv 論文預印本

更詳細資料請按左下角「外部連結」觀看有關影片

https://www.youtube.com/watch?v=hggqvB5I95I

發表評論