DAOrayaki |未来的推进系统

DAOrayaki |未来的推进系统

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:55 USD

研究种类:Space Tech, Propulsion Systems, Ion thrusters

原文作者:   Ryan Cardona

创作者:Skyhigh Feng@DAOrayaki.org

审核者:Yofu@DAOrayaki.org

原文:  Propulsion Systems of the Future

人类一直有着强烈的探索欲望和好奇心。最初人类对全世界感兴趣,想发现每一个角落和间隙。现在我们仰望星空,有种燃起的欲望去探索我们的太阳系甚至更远的地方。如果有一天我们想拜访其他星球,我们还有很长的路要走。好消息是,今天的人们比以往任何时候都对太空旅行更感兴趣。太空探索技术公司(SpaceX)和蓝色起源(Blue Origin)等私营公司正在不断改进,相互竞争。我们在火星上建立文明的可能性比以往任何时候都要高。

这些探索的核心是用火箭把我们带到那里。如果我们想探索太阳系,甚至银河系,关键是燃料效率、速度和可重用性。我们需要什么样的技术来提升我们的竞争力?你可能在科幻小说中听说过离子推进器和曲速引擎,比如《星球大战》常用的离子引擎。或者《星际迷航》 使用曲速引擎穿越星系。这项技术不再是纯粹的虚构。离子推进器在今天的深空旅行中扮演着重要的角色,科学家对这项技术的未来抱有巨大希望。曲速引擎仍然完全停留在理论领域,但也可能带领我们穿越宇宙。

离子推进器有用吗?

离子推进器可以走得更远,达到更高的速度,而且比任何其他现有的太空旅行推进器都要便宜得多。在化学火箭中,65% 的燃料被浪费,而在离子推进器中,这个数字仅有10% 。离子推进器的燃料使用更加高效,使这种交通工具成本更低,也大大增加了我们出行的距离。离子推进器的速度可以达到90,000米每秒。相比之下,装有化学火箭的航天飞机的速度只能达到8046米每秒。

既然听起来这么棒,为什么我们还在使用其他系统,比如化学火箭?离子发动机有一个致命缺陷,它产生的推力非常低,大约0.5牛顿。在这里面,1牛顿等于不到四分之一磅。离子驱动器之所以能够达到如此高的速度,是因为在真空中的加速度,比如存在于空间栈上的加速度,随着时间的推移,缓慢但不断地增加其速度。在真空状态之外缺乏推力是阻止离子推进器逃离地球引力的问题。这就是为什么离子推进器目前只能在地球引力之外使用,以保持卫星在适当的位置和深空任务。

深空1号航天器的 NSTAR 离子推进器

离子推进器是何工作的?

离子推进是基于牛顿第三运动定律,即每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。离子是带有一定电荷的原子,失去一个电子是正电荷,得到一个电子是负电荷。简单来说,离子推进器所做的就是向推进剂等离子体发射离子。离子与推进剂碰撞,使电子向另一个方向飞行,从而产生推力。

在推进剂可以使用之前,它必须被电离。大多数推进器通过电子轰击电离推进剂; 带负电荷的电子与推进剂原子(中性电荷)碰撞,从推进剂原子中脱离电子,使其带正电荷。由此产生的气体是正离子和负电子的完美比例的混合,导致没有电荷。这就是所谓的等离子体,一种物质的状态类似于气体,除了它是电中性的。等离子体具有与气体相同的性质,同时也受到电场和磁场的影响。这在离子推进器内部很重要,因为高强度磁铁排列在离子推进器内的放电室壁上,引导电子,使电子在放电室中停留更长时间。这种磁铁的使用增加了发生电离事件的可能性。使用的推进剂仅限于惰性气体,这种气体是惰性的,因为这种性质的化学推进有爆炸的危险。尽管也可以使用氪和氩,但最常用的推进剂是氙,因为它很容易电离,而且原子质量高,能产生更大的推力。

推进剂(等离子体)中和后,注入放电室并用电子轰击。这个过程将电子从产生正电离子的推进剂中脱离出来。然后,这些离子向包含许多小空穴的两个栅极运动。通过这两个栅极的离子以每小时144840千米的速度加速。获得如此高速度的秘密在于两个网格的电荷。一个是带正电的电极(屏栅) ,另一个是带负电的电极(加速器栅)。在通过屏幕栅极之后,带正电的离子被吸引到加速器栅极上,加速它们成为一束。在你拥有一个功能齐全的离子推进器之前,还有一件事情需要做。推进器需要使光束中性充电。最初的离子束带有负电荷,这最终导致离子被吸回推进器减少推力。为了对抗这种情况,一种称为中和剂的阴极射出电子,使电子束处于中性状态。

离子发动机示意图

由于离子推进器在燃料效率和操作成本方面的巨大优势,它在整个航天界的使用正在不断增加。目前 NASA 正在研究的离子发动机是“ NASA 进化氙推进器”(NEXT)。如果你有兴趣了解更多,请点击这个链接。

“大”的问题

宇宙比我们想象的要大得多。距离地球最近的恒星---- 比邻星,距离地球4.2万亿公里。这个距离相当于到达太阳,然后返回大约14000次。使用伊隆最新的火箭以每秒666公里的速度飞行,大约需要1871年。一艘使用离子发动机以900公里/秒的速度飞行的航天器需要大约1384年才能到达同一颗恒星。在浩瀚无垠的宇宙中,这是一个微不足道的距离,宇宙中包含着无数的星系,而在这些星系中,恒星的数量是无法计算的。正如你可能已经猜到的那样,我们有朝一日能够探索我们自己的星系的唯一途径,就是我们开发出一种交通工具,使人类能够以宇宙的极限速度旅行,也就是光速或超光速旅行。这给人类带来了一个巨大的问题,因为以光速行进,几乎是每秒3亿米,根据相对论天文学的说法,对于任何类型的物质来说都是物理上不可能的。这个问题让物理学家们跳出框框思考。有没有什么东西以光速或更快的速度传播?

答案是什么?

由于科学家知道物质永远不可能达到光速旅行,他们被迫以非常规的方式思考来解决这个问题。我们知道有什么东西的速度比光速还快吗?好吧,物理学家对此有一个答案,它更像是什么也没有比任何东西: 空间。我们所知道的唯一能够以超过光速的速度膨胀和移动的东西就是宇宙本身。1994年,Alcubierre m 是第一个提出理论解决方案的物理学家,他在科学杂志《经典和量子引力》上发表了这个解决方案,这个解决方案描述了曲速引擎。他必须找到一种方法,来操纵空间的结构,使其在物体周围形成一种类似波浪的形式,一种孤立波,在物体前面收缩,在物体后面扩张,就像海滩上的波浪载着冲浪者一样。广义相对论理论描述了空间的几何形状,并告诉我们质量扭曲了空间和时间。通常情况下,要解这些方程,你需要在一边输入一定数量的质量和能量,然后它就会输出时空的几何图形。相反,Alcubierre反过来推导出了这个方程,首先他计算出了一个翘曲气泡的几何形状,然后通过这个方程,看看需要多少质量和能量。限制光速旅行能力的规则并不适用,因为管理超光速旅行的定律只涉及在空间中旅行的物质,空间有能力以任何速度移动。气泡中的飞船不会“移动”,因此不会违反宇宙的速度限制,也就是光速。请记住,Alcubierre 并没有考虑到物理学的其他领域,这些领域对于弄清楚一个人是否要进行真正的曲速引擎是很重要的。

速引擎的直观表现

正在寻找解决方案的问题

为了确定某些空间几何形状,使得曲速引擎能够通过广义相对论,就需要负质量/负能量。这些材料是唯一能够产生反重力的翘曲引擎所需要的工作。负物质/质量不等于反物质,反物质只是带有相反电荷的物质,质量保持不变。负质量就像一个重达50千克的物体。这意味着什么,这可能吗?我们还不知道。阿库别雷的原始方程需要一个天文数字的能量来运行,负质量相当于宇宙中所有的质量来移动一艘中等大小的星际飞船。美国宇航局的物理学家哈罗德 · 怀特能够将负质量减少到700公斤。不过,负质量目前只存在于理论上。阿尔库别雷承认,这些方程式更像是思想实验,而不是可以创造出来的东西,尽管如此,它们在数学上仍然是一致的,而且是朝着正确的方向迈出的一步。

一些鼓舞人心的解决方案

一篇新的研究论文给这项技术带来了进一步的希望。在一篇名为《打破曲速障碍》的研究论文中,George-August University Gottingen 大学天体物理学教授 Erik w. Lentz 提出了一个不需要负能量的解决方案。在 Alcubiers 的解决方案中,孤立波---- 对波浪的一个奇特的称呼 ---- 只在经轴泡运动的方向上波动。当你计算能量的时候,它总是负值。Lentz 包含了垂直于运动的波的分量,通过这样做,它产生了正的能量密度。这是一种非常高密度和复杂的纸张。如果有兴趣进一步理解这些概念,我建议你读这篇文章。PBS Space Time 的一个非常有趣的视频“新的曲速引擎的可能性”,更深入描述了这篇论文。

我们会殖民银河系吗?

在我们宇宙的幼年时期,大爆炸使空间以难以量化的速度扩张,使光速相形见绌。为了让你知道这种膨胀发生的速度有多快,在大爆炸之后大约10 ^-32秒,宇宙向各个方向膨胀,体积增加了10^78倍。这就像一个纳米级的物体,在不到一秒的时间里膨胀到10.6光年的长度。宇宙每天都在加速膨胀。我们通过研究恒星发出的光的波长来观察这个现象,这个波长可以告诉我们恒星离我们有多远,它是朝我们移动还是离我们远,以及它移动的速度有多快。我们可以通过观察刚刚到达我们这里的第一个光源来回顾过去。我们还观察到空间每天扩张得越来越快。宇宙大约有138亿年的历史。如果太空以光速扩张,我们的可观测宇宙半径为138亿光年,而实际的半径大约是460亿光年。这恰好说明了太空本身移动的速度有多快。那么,我们还有机会探索银河系吗?好吧,我们今天还远远不够。曲速引擎肯定会把人类推出太阳系,推进银河系。虽然理论上它们是可信的,但是我们需要物理学上的许多进步才能接近创造一个物理的曲率引擎。但是不要失去希望。想想我们在200年甚至100年前拥有的技术; 它与我们今天所知道和拥有的已经不可同日而语。那个时代的人们永远不会猜到今天人类究竟做到了什么。过去,跨越大洋的旅行需要几个月的时间,而且被认为是旅行。今天你可以在不到一天的时间里到达世界上的任何一个地方。所以谁能保证人类不会找到一种合适的方法。

宇宙微波背景: 科学家用来研究早期宇宙的东西

参考链接:

1.深空1号航天器的 NSTAR 离子推进器:

https://www.jpl.nasa.gov/missions/deep-space-1-ds1

2.NEXT:https://www1.grc.nasa.gov/space/sep/gridded-ion-thrusters-next-c/

3.《打破曲速障碍》:

https://drive.google.com/file/d/1idkNv0pe5IJv-t7E5vogbNilbPjIoA79/view

4.新的曲速引擎的可能性:

https://www.youtube.com/watch?v=Vk5bxHetL4s

5.大爆炸使空间以难以量化的速度扩张:https://www.space.com/52-the-expanding-universe-from-the-big-bang-to-today.html


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