新视野大学第五册new rockets for the new space age译文

【专家解说】：新时间时代的新式火箭 在探索太阳系外层空间行星的过程中，将来会有一天， 人类要做的不仅仅是发射仅能在它们旁边快速飞过的小小探 测器。迟早，我们将发送飞船进入环绕那些陌生行星运转的 轨道，让机器人在它们的卫星上降落，甚至将岩石和土壤样 本送回地球。 最终， 我们要将人类送到这些行星的卫星上去， 至少送到据信有大量液态水存在的几个卫星上去--我们知 道，液态水是生命的基本元素。 要完成上述使命，我们需要以核反应为动力的火箭，而 不是燃烧化学品的火箭。化学燃料火箭曾为我们提供了很好 的服务。但是，在所用燃料量相同的情况下，化学燃料火箭 所提供的能量较低，将宇宙飞船进行远距离发射时，这一点 就是一个严重的缺陷。例如，为了到达外层空间的行星，以 化学燃料为动力的宇宙飞船不得不携带很少的燃料，并充分 利用引力的 “帮助” 来节省燃料， 此时飞船巧妙地自我操纵， 使之与行星的距离接近到足以利用该行星的引力来推动飞船 的前进，提高起速度。 从技术上来讲，化学燃料火箭的最大速度增长比较低。 这就是说，它们的排气速度还不足以将火箭的速度增加到非 常快的速度。以氧和氢反应为基础的化学燃料火箭推进飞船 脱离地球轨道的最大速度是约每秒 10 公里(6 英里) 。 与化学燃料火箭相比， 核燃料火箭能达到每秒大约 22 公 里的最大速度。以土星为例，这样高的速度有可能让火箭直 飞土星，把飞行时间从 7 年左右缩短为 3 年。这种核能燃料 火箭有其固有的安全性，而且对环境没有危害。与普通的看 法相反，核燃料火箭在发射时未必有很强的核辐射。带有核 燃料火箭的宇宙飞船可以在普通化学燃料火箭上发射。 这样， 当普通化学燃料火箭到达地球轨道约 800 公里高度时，核反 应堆舱会脱离化学燃料火箭，并开始工作。 建造以核燃料为动力的火箭发动机所需要的技术离目前 的技术能力并不太远。实际上，我的同事和我已经设计出小 型的核燃料火箭发动机。我们称这种发动机为“Mitee” (随 意取自“miniature reactor engine” “微型反应堆发动机”中 的几个字母) 。制造这种发动机需要 6 到 7 年的时间，费用在 6 亿到 8 亿美元之间。 在航天发射方面， 这一造价并不昂贵。 实际上，开发核燃料发动机的费用可以被今后发射成本节省 下来的钱所抵消。理由是以这种发动机为动力的核能宇宙飞 船不用携带大量的化学燃料，这就意味着发射飞船不需要造 价在 2.5 亿至 3.25 亿美元的巨型火箭。相反，可以采用造价 在 0.5 亿美元至 1.25 亿美元之间的低价位火箭。 在我们的设计中，反应堆的核燃料放置入下列结构，其 中数层金属薄板，上面打有许多小孔，形成一个汽缸。液态 氢从外部经小孔流入汽缸内，加热后很快变成气体，流向汽 缸中心。 达到 2700℃左右的超热气体沿着汽缸中心轴的沟槽 高速流入，然后从汽缸一端一个小孔喷出。 核燃料火箭一个引人注目之处是用来推动火箭的燃料氢， 它在太阳系外层空间巨大行星的各类气体中，以及在遥远的 卫星、行星和彗星的冰层中到处都存在。由于核燃料的使用 时间相对较长，因而可以想象以核燃料为动力的飞船通过补 充必要的氢燃料就能够在太阳系外层空间飞行 10 年或者 15 年。飞船在气态行星的大气层中能够飞行几个月，只要一边 飞行一边将氢收集并净化作为燃料就可以了，同时可以采集 有关大气组成、天气模式方面的详细数据。另外，飞船可以 飞到行星的一个卫星上采集岩石标本，还可以通过离析冰水 以积累氢，为返回地球补充燃料。 反应堆能在远离地球的地方启动，所以核能飞船要比目 前的太空探测器更加安全。在太阳系的外层空间，太阳光线 太弱，无法为宇宙飞船的仪器提供能量。所以，飞船的飞行 通 常依赖于高强度的辐射能源，这种能源甚至在发射时也是 有危险的。另外，在装有核燃料火箭的探测器内，各种仪器 和设备的运行也依靠推动宇宙飞船的同一个反应堆所提供的 动力。而且，由此产生的核废料量可忽略不计，一次太空飞 行总共也就产生 1 克强放射性物质，而这 1 克物质绝不会返 回而污染地球。 核燃料火箭不是一件新鲜事。 在该领域的项目中于 20 世 纪 80 年代后期出现了美国空间核热能推动研究计划， 其目的 是为了防御的需要开发体积小、 重量轻的核发动机用于国际， 如将重型卫星发射到地球高空轨道等。虽然这项工作在正式 的核发动机建成之前就结束了，但是根据对这类发动机的假 设， 工程师们的确成功的制造和开动了低功率的雏形反应堆， 结果表明，它具有几百万瓦特的功率输出能力。 如果仅仅使用化学燃料火箭，我们探索外层空间行星及 新时间时代的新式火箭 在探索太阳系外层空间行星的过程中，将来会有一天， 人类要做的不仅仅是发射仅能在它们旁边快速飞过的小小探 测器。迟早，我们将发送飞船进入环绕那些陌生行星运转的 轨道，让机器人在它们的卫星上降落，甚至将岩石和土壤样 本送回地球。 最终， 我们要将人类送到这些行星的卫星上去， 至少送到据信有大量液态水存在的几个卫星上去--我们知 道，液态水是生命的基本元素。 要完成上述使命，我们需要以核反应为动力的火箭，而 不是燃烧化学品的火箭。化学燃料火箭曾为我们提供了很好 的服务。但是，在所用燃料量相同的情况下，化学燃料火箭 所提供的能量较低，将宇宙飞船进行远距离发射时，这一点 就是一个严重的缺陷。例如，为了到达外层空间的行星，以 化学燃料为动力的宇宙飞船不得不携带很少的燃料，并充分 利用引力的 “帮助” 来节省燃料， 此时飞船巧妙地自我操纵， 使之与行星的距离接近到足以利用该行星的引力来推动飞船 的前进，提高起速度。 从技术上来讲，化学燃料火箭的最大速度增长比较低。 这就是说，它们的排气速度还不足以将火箭的速度增加到非 常快的速度。以氧和氢反应为基础的化学燃料火箭推进飞船 脱离地球轨道的最大速度是约每秒 10 公里(6 英里) 。 与化学燃料火箭相比， 核燃料火箭能达到每秒大约 22 公 里的最大速度。以土星为例，这样高的速度有可能让火箭直 飞土星，把飞行时间从 7 年左右缩短为 3 年。这种核能燃料 火箭有其固有的安全性，而且对环境没有危害。与普通的看 法相反，核燃料火箭在发射时未必有很强的核辐射。带有核 燃料火箭的宇宙飞船可以在普通化学燃料火箭上发射。 这样， 当普通化学燃料火箭到达地球轨道约 800 公里高度时，核反 应堆舱会脱离化学燃料火箭，并开始工作。 建造以核燃料为动力的火箭发动机所需要的技术离目前 的技术能力并不太远。实际上，我的同事和我已经设计出小 型的核燃料火箭发动机。我们称这种发动机为“Mitee” (随 意取自“miniature reactor engine” “微型反应堆发动机”中 的几个字母) 。制造这种发动机需要 6 到 7 年的时间，费用在 6 亿到 8 亿美元之间。 在航天发射方面， 这一造价并不昂贵。 实际上，开发核燃料发动机的费用可以被今后发射成本节省 下来的钱所抵消。理由是以这种发动机为动力的核能宇宙飞 船不用携带大量的化学燃料，这就意味着发射飞船不需要造 价在 2.5 亿至 3.25 亿美元的巨型火箭。相反，可以采用造价 在 0.5 亿美元至 1.25 亿美元之间的低价位火箭。 在我们的设计中，反应堆的核燃料放置入下列结构，其 中数层金属薄板，上面打有许多小孔，形成一个汽缸。液态 氢从外部经小孔流入汽缸内，加热后很快变成气体，流向汽 缸中心。 达到 2700℃左右的超热气体沿着汽缸中心轴的沟槽 高速流入，然后从汽缸一端一个小孔喷出。 核燃料火箭一个引人注目之处是用来推动火箭的燃料氢， 它在太阳系外层空间巨大行星的各类气体中，以及在遥远的 卫星、行星和彗星的冰层中到处都存在。由于核燃料的使用 时间相对较长，因而可以想象以核燃料为动力的飞船通过补 充必要的氢燃料就能够在太阳系外层空间飞行 10 年或者 15 年。飞船在气态行星的大气层中能够飞行几个月，只要一边 飞行一边将氢收集并净化作为燃料就可以了，同时可以采集 有关大气组成、天气模式方面的详细数据。另外，飞船可以 飞到行星的一个卫星上采集岩石标本，还可以通过离析冰水 以积累氢，为返回地球补充燃料。 反应堆能在远离地球的地方启动，所以核能飞船要比目 前的太空探测器更加安全。在太阳系的外层空间，太阳光线 太弱，无法为宇宙飞船的仪器提供能量。所以，飞船的飞行 通 常依赖于高强度的辐射能源，这种能源甚至在发射时也是 有危险的。另外，在装有核燃料火箭的探测器内，各种仪器 和设备的运行也依靠推动宇宙飞船的同一个反应堆所提供的 动力。而且，由此产生的核废料量可忽略不计，一次太空飞 行总共也就产生 1 克强放射性物质，而这 1 克物质绝不会返 回而污染地球。 核燃料火箭不是一件新鲜事。 在该领域的项目中于 20 世 纪 80 年代后期出现了美国空间核热能推动研究计划， 其目的 是为了防御的需要开发体积小、 重量轻的核发动机用于国际， 如将重型卫星发射到地球高空轨道等。虽然这项工作在正式 的核发动机建成之前就结束了，但是根据对这类发动机的假 设， 工程师们的确成功的制造和开动了低功率的雏形反应堆， 结果表明，它具有几百万瓦特的功率输出能力。 如果仅仅使用化学燃料火箭，我们探索外层空间行星及 其卫星的能力将受到限制，这是不难证明的事实。在不久的 将来，只有核火箭能够给予我们所需的动力，大大促进我们 对太阳系遥远的边缘神秘世界的了解。