人類對殖民火星感興趣!平均而言,火星距離地球大約2.253億公里。即使距離最近的時候,它離地球仍然有5630萬公里。使用傳統(tǒng)的化學(xué)火箭將我們送到火星至少需要7個月的時間,有沒有什么辦法能讓飛得更快?
為了取代傳統(tǒng)的火箭燃料,科學(xué)家和工程師們轉(zhuǎn)向了等離子火箭,從而將我們推進(jìn)到更遠(yuǎn)的外太空。在這種火箭中,推進(jìn)劑氣體變成了等離子體,然后被電場從引擎的后部推出去,從而向航天器提供推力。
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這些火箭需要在外太空中工作,因為地球表面附近的空氣密度降低了等離子體中產(chǎn)生推力所需的離子的加速度,所以我們實(shí)際上不能使用它們從地球上發(fā)射出去。
目前在太空中經(jīng)常使用的有兩種等離子發(fā)動機(jī),霍爾推進(jìn)器就是其中之一。在這個裝置中,電場和磁場以垂直的方式設(shè)置在腔室中。當(dāng)電流通過這些場時,電子開始以超快的速度繞圈旋轉(zhuǎn)。當(dāng)推進(jìn)劑氣體被噴射到設(shè)備中時,高速運(yùn)動電子將原子中的電子撞出來,形成了一個等離子體。這些離子從引擎后面被噴射出來,產(chǎn)生推動火箭前進(jìn)所需的推力。
雖然電離和離子加速的兩個過程是分步驟進(jìn)行的,但它們發(fā)生在引擎的同一空間內(nèi)。霍爾推力器可以為使用的輸入功率產(chǎn)生大量推力,因此它們的運(yùn)行速度非???。但是它們的燃油效率是有限度的。
另一種更省油的等離子發(fā)動機(jī)是網(wǎng)格離子發(fā)動機(jī)。在這種常用的裝置中,電場和磁場沿發(fā)動機(jī)室壁分布。當(dāng)施加電能時,高能電子在磁場中沿著磁場壁振蕩。與霍爾推力器類似的方式是,電子能夠?qū)⑼七M(jìn)劑氣體電離成等離子體。為了創(chuàng)造推力,在腔室的末端放置了電網(wǎng),以加速離子的釋放。在這個引擎中,電離和加速發(fā)生在兩個不同的空間。
盡管網(wǎng)格離子發(fā)動機(jī)比霍爾推進(jìn)器更省油,但其缺點(diǎn)是單位面積無法產(chǎn)生同樣多的推力。根據(jù)他們想要完成的工作類型,科學(xué)家和航空航天工程師會選擇更適合任務(wù)的發(fā)動機(jī)。
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傳統(tǒng)化學(xué)火箭已經(jīng)很棒了,但它們也有其局限性?;鸺剂戏浅V兀倚史浅5?,不能提供足夠的推力來快速到達(dá)目的地。在離開地球進(jìn)入軌道的過程中,燃料基本上已經(jīng)使用完了,所以剩下的時間基本上都是無動力飛行。
等離子火箭使用的燃料要比這些傳統(tǒng)引擎少得多,例如從地球軌道到月球軌道只需要113升的氣體?。等離子體火箭逐漸加速,可以在23天內(nèi)達(dá)到每秒55公里的最高速度,這是任何化學(xué)火箭的4倍?。旅行時間越短,宇航員暴露在輻射下、骨質(zhì)流失和肌肉萎縮的風(fēng)險就越小。
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