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院士首席专家、科学研究院北京分院院长、中国科技研究交流中心研究员,中国国际经济文化发展研究中心高级研究员。从事国际发展战略策划, 智能远程经济产业发展、资源整合对接、 项目合作、智能技术软件研发、自动化逻辑设计等。发表论文100余篇,获国内国际优秀成果奖40余项,成果与传略入编大型文献百余部,出版专著《系统现代物理与智能科学技术模型》科学出版社,2015,申报国家科技专著基金项目。

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【引用】 未来十大太空技术:核子脉冲推进器  

2010-07-22 15:28:32|  分类: 高端科学技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 引用阿才未来十大太空技术:核子脉冲推进器
       人类所发现的宇宙空间越来越大,但是一些关键的太空飞行难题仍在制约着人类飞往更远太空的梦想,以下就是科学家认为未来可能的十种太空技术。

    新浪科技讯,  英国《新科学家》网站报道,随着太空技术的飞速发展,人类所发现的宇宙空间越来越大,但是一些关键的太空飞行难题仍在制约着人类飞往更远太空的梦想。为了飞得更远这个目标,科学家们研究了多种新技术和新思想,用于未来的太空旅行计划。近日,《新科学家》网站对其中的十种未来太空技术进行了介绍和分析,并逐一评估其实现的可能性。       以下就是科学家认为未来可能的十种太空技术,尽管其中部分技术几乎是不可能实现的。

  1. 离子推进器 

 传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。子推进器也是采用同样的喷气式原理,但是它并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体,它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱,但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要离子推进器能够长期保持性能稳定,它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。

 相关技术目前已经应用到一些太空飞船上,比如日本的“隼鸟”太空探测器和欧洲的“智能1号”太空船等,而且技术已经取得了很大的进步。未来最有希望成为更远外太空旅行飞船推进器的可能就是VASIMR等离子火箭。这种火箭与一般的离子推进器稍有不同。普通的离子推进器是利用强大的电磁场来加速离子体,而VASIMR等离子火箭则是利用射频发生器将离子加热到100万摄氏度。在强大的磁场中,离子以固定的频率旋转,将射频发生器调谐到这个频率,给离子注入特强的能量,并不断增加推进力。试验初步证明,如果一切顺利,VASIMR等离子火箭将能够推动载人飞船在39天内到达火星。

  2. 核子脉冲推进器

   在这十项技术中,在普通人看来,最危险、最不计后果的一项应该是核子脉冲推进技术。核子脉冲推进技术的基本思想就是,在推进火箭的尾部定期扔出一个核弹,用作推动力的来源。这个匪夷所思的想法,却恰恰是美国国防部高级研究计划署提出的。高级研究计划署的这项研究计划代号为“猎户座计划”,是1955年美国实实在在考虑过的一项计划。计划的目标是研究一种适合快速星际旅行的推进方案。在高级研究计划署最终拿出的方案中,推进火箭被设计成一个巨大的减震器,而且还有厚重的辐射屏蔽用于保护乘客的安全。

  这个方案看起来可行,但它可能会对大气层造成严重的辐射问题。因此,到20世纪60年代该计划最终未能真正实施。尽管存在许多担忧,仍然有人在继续研究核子脉冲推进技术。理论上讲,核弹动力飞船速度可以达到10%的光速。以这样的速度到达最近的恒星可能需要40年。

  3核聚变火箭的推进

  依靠核动力的太空飞行技术并不是只有核子脉冲推进器,还有其他的核能利用方式。比如,在火箭上安装一个裂变反应堆,利用裂变反应堆提供热量喷射气体,从而产生推动力。不过,这种核裂变动力火箭与核聚变动力火箭相比,仍有很大的差距。

 在核聚变反应中,核子被迫进行聚合从而产生巨大的能量。大多数的聚变反应堆都是利用托卡马克装置将燃料限制在一个磁场之中来驱动聚变反应的。但是,托卡马克装置太重,并不适合用于火箭之上。因此,核聚变动力火箭必须要采用另一种触发聚变的方法,即惯性约束核聚变。这种设计以高能光束(通常是激光)来代替托卡马克装置中的磁场。当聚变反应发生后,磁场再引导炽热离子喷向火箭尾部,实现核聚变火箭的推进力。

  4. 布萨德喷气式引擎

       所有推进火箭,包括上述的核聚变动力火箭,都存在一个相同的关键难题。为了实现更快、更远的目标,火箭上必须要携带更多的燃料,更多的燃料必然会增加火箭的重量,进而会减小推进力。如果想实现星际间旅行,就必须要避免这种情况。于是,1960年,物理学家罗伯特-布萨德提出了一种喷气式引擎,布萨德喷气式引擎或许可以解决这一难题。布萨德喷气式引擎原理和上述核聚变动力火箭一样,但是它并不需要携带足够的核燃料。它首先是将周围太空中的氢物质进行电离后,然后利用强大的磁场吸收这些氢离子作为燃料。虽然布萨德喷气式引擎方案没有上述核聚变动力火箭中的反应堆问题,但是它所面临的问题是磁场大小的问题。由于星际空间中氢物质很少,因此它的磁场必须要足够大才可行,甚至要延伸到数千公里之外。除非是发射前进行精密的计算,设计出飞船飞行的精确轨道,这样就不用携带多余的燃料,也不再需要巨大的磁场。不过这种想法又出现一个弊端,那就是飞船必须要按既定轨道飞行。

     5. 太阳帆推进技术

    这是另一项不需要携带足够燃料的技术,因而理论上讲也可达到极高的速度,不过它往往需要一个时间过程才可完成这一目标。与传统的利用风力进行航行的帆船相比,太阳帆是从太阳光线中吸取能量。目前,太阳帆推进技术已在地球的真空室内取得试验成功。然而,在太空轨道上实施相关试验则以不幸而告终。比如,2005年,世界上最大的业余太空科学组织美国行星协会研制了一艘名为“宇宙1号”的太空飞船,它的太阳帆运载火箭因故障而坠毁。

  尽管在技术的萌芽阶段出现许多问题,但是太阳帆仍然是一个非常有希望的未来太空技术。至少它可以保证在太阳系内飞行,太阳的光线可以为它提供最强大的推进力。将来,人类将可能会主要利用太阳能实现星际间旅行。

  6. 磁场帆推进技术

       与太阳帆不同的是,磁场帆是由太阳风提供推动力,而不是由光线提供推动力。太阳风是一种拥有自己磁场的带电粒子流。科学家提出,在太空飞船周围制造一个与太阳风磁场相排斥的磁场,这样就可利用磁场的排斥力推动太空飞船飞行。与此相近的相关技术还有“太空蛛网”技术,这种技术就是在太空飞船周围延伸出一个带正电的电网。

  不管是磁场帆,还是“太空蛛网”技术,都是在利用磁场进行“冲浪”,磁场力使得太空改变轨道,甚至驶离行星际空间。然而,太阳帆和磁场帆都不适合恒星间旅行。当它们远离太阳时,光线和太阳风的强度都急剧下降。因此,在太阳系外,它们没有足够的动力驶往其它恒星。

  7. 激光动力推进器

      既然太阳不足以推动恒星际太空飞船,于是有科学家提出了激光动力推进器技术,利用一束强大的激光将飞船推向太空,其中一项技术就是“激光烧蚀”技术。所谓的“激光烧蚀”就是利用强大的激光来烧蚀飞船尾部的特殊金属,金属逐渐蒸发形成蒸汽从而提供推进力。另一种相似的技术就是由物理学家和科幻小说家格里高利-本福德所提出的太阳帆技术,就是在太空飞船上安装一种太阳帆,太阳帆上涂有一层特殊的油漆。激光动力推进技术也存在许多重大挑战。首先,激光束必须要精确聚焦于飞船之下,即使距离再远,激光束都不能有丝毫误差。否则,飞船会因为得不到足够的能量而坠毁。其次,激光束生成设施的功率必须要超级强大。在某种情况下,它所需要的能量可能会比人类目前所有的能量。

    8. 时空扭曲技术

      1994年,威尔士大学物理学家米古尔-阿尔库比列提出了星际物质利用技术。在这种设想中,飞船推进力主要由一种至今未被发现的物质--“外星”物质提供。这是一种粒子,具有负质量和负压力。它可以扭曲时空,从而使飞船快速接近前方的空间,而后方的空间在不断扩张。飞船就好象处于一个不断膨胀的泡泡中,可以飞得比光速快。

  然而,阿尔库比列的技术思想存在许多问题。首先,为了维持这种时空扭曲,需要巨大的能量,这种能量或许会比整个宇宙的全部能量都要大。其次,这种驱动器可能会释放出大量的辐射物,严重威胁飞船乘客的生命安全。此外,关于这种外星物质是否存在,至今未有定论。因此,从物理学上讲,很难实现这种扭曲的泡泡。
  9. 虫洞利用技术
       既然有人可以想到时空扭曲,于是就有其他科学家想到了时空隧道。他们认为,或许利用虫洞可以实现这一想法。虫洞的概念是由美国著名物理学家约翰-威勒尔提出的,意思是宇宙中可能存在的连接两个不同时空的狭窄隧道。关键的问题是,虫洞确实存在吗?如果存在,我们是否能够穿越它们?然而,这些问题至今没有答案。 
  20世纪90年代,物理学家塞尔古-科拉斯尼科夫又提出了另一种虫洞概念。然而,所有这些虫洞理论都不能提供虫洞确切存在的证据,更无法提出一种切实可行的时空穿梭方法。如果科学家们能够找到答案的话,那么太空飞船的速度将不仅仅是光速的概念。
  10. 多维空间技术
     我们通常能够看到的宇宙空间通常是三维的。不过德国物理学家巴克哈德-海姆提出,如果宇宙中存在更多空间维数,飞船则可以穿行其中,实现极端速度。这种极速飞船可以在几分钟内到达月球,飞抵火星只要2.5个小时,而到达半人马座阿尔法星系也只需要80天。然而,这种思想实在难以理解,海姆的理论从来没有得到过同行们的认可。
  除了上述10项技术之外,还有一些更理论化的技术,比如暗物质火箭、黑洞恒星飞船等。科学家希望,所有这些技术将来都能够派上用场。
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