物理學家提出新型磁性火箭推進器概念

據(jù)外媒New Atlas報道，由于美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的物理學家Fatima Ebrahimi開發(fā)的一種新的火箭概念，利用磁場產(chǎn)生推力，前往火星的載人任務可能會更加實際。

在過去的64年里，機器人衛(wèi)星和探測器取得了顯著的成功，但這些衛(wèi)星和探測器的體積都比較小，最重的是ATV貨運飛船，滿載重量為44738磅（20293公斤）--而且那個飛船只進入了低地軌道。最大的深空探測器是前往土星的卡西尼-惠更斯任務，它的重量為12467磅（5655公斤）。

這是因為人類成為真正的航天物種的最大障礙是用于推動航天器穿越太陽系和更遠的地方的發(fā)動機?；瘜W火箭可以推出令人印象深刻的推力，但比沖力非常小。也就是說，在推進劑用完之前，它們不能發(fā)射很長時間。電動推進系統(tǒng)，如Hall 推進器，則正好相反。它們的推力只相當于一枚小硬幣的重量，但它們可以燃燒幾個月，而不是幾分鐘，所以它們可以（慢慢地）積累到很高的速度。

不幸的是，這兩種燃料對于將宇航員載到火星上都沒有什么吸引力。其中一種可能會快速啟動，另一種可能會緩慢啟動，但它們都意味著數(shù)月甚至數(shù)年的漫長而危險的航行。這兩種基本的推進方式都有各自的優(yōu)缺點，但至少在短期內(nèi)，真正需要的是一種結合了兩者特性的推進方式。理想的情況是，具有更高的推力和更大的比沖力的東西。

新的普林斯頓概念的工作原理是使用同樣的機制，將作用于太陽耀斑。這些耀斑由帶電的原子和稱為等離子體的粒子組成，它們被困在強大的磁場中，在那里發(fā)生復雜的相互作用。

對于推進系統(tǒng)來說，Ebrahimi對一種叫做磁重聯(lián)的相互作用特別感興趣，這是磁能轉化為粒子的動能、熱能和輻射能的過程。這種現(xiàn)象不僅在太陽上看到，而且在地球大氣層和托卡馬克核聚變反應堆內(nèi)也能看到，比如PPPL的國家球面環(huán)面實驗（NSTX）。

在一個非常普遍的方式，磁推進器就像航天器上越來越常見的離子推進器。這些推進器的工作原理是給由氙等重原子組成的推進劑充電，然后利用電場對其進行加速。對于新概念的推進器來說，是由磁場來加速的。

到目前為止，PPPL計算機和加州伯克利勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心的計算機模擬結果顯示，磁重聯(lián)推進器產(chǎn)生的速度可以比目前的電力推進系統(tǒng)快10倍。

“長途旅行需要幾個月或幾年的時間，因為化學火箭發(fā)動機的比沖力很低，所以飛行器需要一段時間才能達到速度，”Ebrahimi說。“但如果我們基于磁重聯(lián)制造推進器，那么可以想象，我們可以在更短的時間內(nèi)完成長距離任務?！?/p>

除了縮短旅行時間，新的推進器概念還可以通過微調(diào)磁場進行節(jié)流。此外，推進器不只是射出等離子體，而且還能射出等離子體團，也就是包含在磁泡中的等離子體球，增加更多的動力。另外，推進器不依賴重元素作為推進劑，可以裝載更輕、更便宜的元素。

“其他推進器需要重氣體，由氙氣等原子構成，而在這個概念中，你可以使用任何類型的氣體，”Ebrahimi說。

該研究發(fā)表在《等離子體物理學雜志》上。
責編AJX