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宇宙飞船在动力系统上需要大量应用超导材料

  据国外媒体报道,由英国星际协会与Tau Zero基金会发起的,伊卡洛斯星际公司具体管理的伊卡洛斯星际航行工程是人类目前执行的一个向距离太阳系最近的恒星系统发射无人宇宙飞船的计划,而除了漫长的宇宙航行考验着飞船的各系统工作的连续性以及超远距离的星际通讯等等难题外,在飞船的材料,特别是超导材料的广泛运用上还需要较大的突破,而科学家依据三千年前中国风筝的设计思路,将使得伊卡洛斯飞船最终在结构上会更轻,强度上更大。

  伊卡洛斯星际航行项目的科学家亚当(Adam Crowl)负责设计飞船的燃料以及燃料储存模块,并结合过去40年来,人类在航空航天运用材料上的进步,尝试着将最新的材料使用在宇航飞行上,并讨论如何建造这个能进行恒星际航行的宇宙飞船,其侧重点则放在制造技术以及材料工艺的考究上。

  我们知道,早在三千多年前,古时代的中国就发明了风筝,当时古人使用的材料仅仅是竹子和细绸,随着时间的推移,技术的进步,风筝也在发生着各种变化,结合现代科技塑料以及碳纤维复合材料的使用,风筝脱胎换骨成了我们现在所熟悉的模样和结构。同样,在将近四十年前发起的“代达罗斯”航行研究就使用了当时所能提供的最先进的材料以及技术运用,比如高密度的耐高温金属合金、使用低温超导体创建磁场和涡轮电力系统对飞船的供应等等。

  而从那时起,几乎所有人类涉及领域的新材料都被纳入视线,例如,碳的同素异形体、高温超导材料和热点性能材料,这些应用于建筑、电力以及发电站的新型材料都被用于飞船的设计,将这些新材料用于解决星际航行的问题,将推动我们在材料领域的发展。当然,代达罗斯计划更多的是侧重于起步研究,而伊卡洛斯计划可凭借着21世纪的宇航技术提升该计划的可操作性,星际航行与每个国家发射各自的卫星的航天活动不同,其代表的是全人类的意志,与每个人的利益相关。

  风筝是一种非常古老的飞行器,利用的就是空气动力的原理,而当19世纪中叶的工业革命在蒸汽机、内燃机等动力设备上的突飞猛进,使得飞艇成为了显赫一时的飞行器,在此之前,具有古老历史的风筝在相当长的文明岁月里保持着人类发明的比空气重的飞行器。科学家通过研究风筝的的设计原理,将其运用到星际航行上。而风筝则是通过巧妙的布局,以最低的质量来匹配其所产生的升力。星际航行也存在着这样的定律,虽然宇宙空间不存在空气阻力,但是从材料上入手,从而降低飞船质量并提供足够的推重比,以产生更大的加速度。

  由于飞船需要进行百年的星际航行,燃料对于飞船而言是有限的,如何充分使用这些燃料,在何时进行合理的加速,以及飞船发动机周围产生的余热能否被结构所吸收利用都将涉及到飞船材料设计上的难题。

  我们目前使用的火箭都是以化学燃料为主,包括固体、液体、固液混合燃料发动机都是使用化学反应产生能量推动火箭,比较壮观的像刚刚退役的航天飞机,除了有固体发动机,还驼着一个巨大的液氢液氧燃料罐,也就是外部燃料箱。这些化学反应产生能量的动力系统不可避免地会产生大量的热辐射以及随着发动机喷射出去的余热,这都是在损失能量,而星际航行则要尽可能地避免大量的能量随着热辐射而损失,小部分热能还要被外层壳体结构吸收利用。

  而其中还有一个问题:飞船上使用的设备在大几十年的星际飞行中,还需要保持一个较适合的工作温度,所以还得配上巨大的散热器进行散热。我们不仅要回收损失的热量,还要想办法为设备降温,这似乎是一个很棘手的问题。科学家尝试使用液体或者气体通过这些需要降温仪器的周围,将辐射出来的热能进行回收,同时也达到了降温冷却的目的。

  但是,即使这一切都做到位了,还要确保这个热循环系统能在几千度的工作环境下工作将近一百年。而这个还仅是被应用于飞船建造的材料所必须忍受的极端条件之一。另一种极端的环境则是低温,比如飞船上发动机磁场则就要使用超导态的电缆所产生。在1986年的材料研究上,温度必须冷却在零下273摄氏度,逼近绝对零度时可产生这类超导现象。而材料研究的进步,仍然需要达到零下243摄氏度,最高温度值也必须有零下238摄氏度。

  而目前的材料学上的能维持超导的温度在零下138摄氏度。从几千摄氏度的温度到维持超导态的工作温度,都对材料研究产生不小的难题。此外,在飞船上使用的核聚变发动机中,还要使用质量更轻、强度更大的的绝缘导线,用以抵抗强大的磁力引爆产生的电离辐射,所以,从上述角度可以看出,用于飞船发动机制造的材料,不仅要承受住几千度的高温,也要具有优异的超导态性能,同时还必须更轻更强,使得飞船得以实现借鉴风筝的设计思路。

  科学家估计,一旦飞船进行完长距离的航行加速后,主发动机需要被关闭,并且进行减速,这时候飞船就需要有另一套的电力供应体系,这可能是某种结构紧凑而且非常先进的核反应堆。

  从20世纪70年代起,用于核电站核能转换成电能的一个相对有效的方式是使用涡轮发电机,由核能产生热量带动涡轮的转动,并产生电力。科学家从那之后,也再讨论如何使用热点材料,将热量转换成电能,并提高这种能量转换的效率。而涡轮电机在能量转换的过程中,虽然起到了相关的作用,但是涡轮电机转动组件间的摩擦明显会造成能量的损失,所以在伊卡洛斯飞船上,需要没有转动部件的能量交换系统,也就是说,科学家希望使用一个固态材料,作为核能与电能之间转换的媒介。

  由于飞船要飞行将近百年的时间,零件磨损不仅会造成能量累计效应的损失,也使得转动零件寿命下降。而采用固态能量交换机制的优点是显而易见的。相比较而言,在过去的40年里,制造业的发展进程显得有些缓慢,而在材料添加剂制造上的却有着较大的进步,特别是再自动化加工设备上显得日益强大。各个部件间的可以做到一层层的吻合,而仅仅是简单地将不同结构进行连接并不能使整体变得更轻更强,这就需要从材料上入手,由于传统材料制造工艺上的限制,使得用于宇宙飞船建造的材料在短期内达到最优化的水平还有一定的难度。

  当然,目前开发的这些技术已经被应用航空领域,特别是下一代的宽体客机,使它们更轻、更有强度,比以往任何时候由人类制造的飞机更加坚固。比如,在20世纪60年代的阿波罗登月计划中,其中就有一个先进的自动化焊接系统被成功研制,其被应用于组装体积超级巨大的土星五号重型火箭,由于焊接的可靠性以及高效性,使得土星五号这个级别的重型火箭在结构重量上得以减轻,这同时也是一个关于提升材料制造业能力使航天活动得以进步的先例之一。

  因此,在三千年前风筝的设计思路的影响下,伊卡洛斯星际航行计划将不可避免地受到其启发,使得未来的宇宙飞船结构更轻,推力更大,成为名副其实的“星际风筝”,而其中大量应用的超导态材料,不仅保证了飞船各系统的正常运转,也能促使材料领域的进步。

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channelId 1 1 伊卡洛斯航行计划:超导态的“星际风筝” 1 据国外媒体报道,由英国星际协会与Tau Zero基金会发起的,伊卡洛斯星际公司具体管理的伊卡洛斯星际航行工程是人类目前执行的一个向距离太阳系最近的恒星系统发射无人宇宙飞船的计划