美國NASA 2018年投資的遠景技術(推進篇)

星際航行2018-07-06 23:08:06

     美國NASA正在投資有遠見的概念,包括流星撞擊探測、太空望遠鏡群以及細小軌道碎片測繪技術,這些技術將來可能被用於未來的太空探索中。NASA已選出了25項早期技術方案,這些方案有望改變未來人類和機器人勘探任務,帶來新的探測能力並大大改善當前建造和運營航天系統的方法。

    2018年NASA NIAC第一階段的創新技術概念涵蓋了廣泛的創新,有可能為未來的太空探索帶來革命性的變化。第一階段獎項價值約為12.5萬美元,歷時9個月,支持對創新概念的初步定義和分析。如果方案可行將能夠申請第二階段的獎勵。NIAC第二階段的研究是繼續研究入選第一階段的概念,研究與成本、性能、研發時間和關鍵技術相關的可行性問題。這一階段需要為後續研究提供必需的科學技術原理闡述,從而為NASA考慮下一步的研究打下良好的基礎。第二階段的研究市場約為2年,研究經費最高達到50萬美元。

入選第一階段的推進類技術

放射性同位素正電子推進


     基於化學或離子推進的現有空間推進系統不能滿足21世紀太空任務的需求。反物質是空間推進系統的一種候選機制,能夠徹底地大幅短運輸時間,增加有效載荷質量,並降低整體任務成本。以前的推進概念依賴於不切實際的捕獲的反物質,與目前的能力相差幾個數量級。而這一創新概念的目標是確定(TRL1-2)放射性同位素正電子催化聚變推進概念的可行性,該概念不依賴於被捕獲的反物質。這種變革性技術激發並推動了航空航天界的進一步創新,並可應用於相關任務——將整個小行星批量捕獲到地月空間,利用小行星的資源。

星際任務無衍射發射推進(PROCSIMA)


資助德克薩斯州A&M工程實驗站


     這是一種全新的、創新的光束推進結構,它可以使前往比鄰星(Proxima Centauri)的星際任務成為現實。與激光推進相比,這一結構大大增加了航天器加速的距離,同時將發射機的光束尺寸減小到10米以下。比激光推進強大得多。這個推進架構主要是面向星際飛行任務,也可能使前往奧爾特雲天體的速度更快。這個推進概念的關鍵創新是將中性粒子束和激光束結合在一起,這種方式既不會讓光束擴散也不會隨著傳播距離而發散。

    通過調整激光和粒子束的相互交互,可以消除衍射和熱擴散,這樣粒子束產生的折射率變化生成波導效應(從而消除激光衍射),同時粒子束被困在激光束中心附近區域的高強度電場中。通過同時利用這些現象,我們可以產生一種具有恆定空間剖面的組合光束,也稱為孤子。因此,這個體系結構被命名為光子粒子光學耦合孤子星際任務加速器。與繞射激光束相比,這種創新結構增加了探測加速距離,使其在42年的任務中有效載荷能力達到1公斤。

入選第二階段的推進類技術:

脈衝裂變-聚變(PuFF)推進系統設計


資助NASA馬歇爾太空飛行中心

     脈衝裂變-聚變推進(PuFF)系統設計採用脈衝的Z型箍縮,壓縮裂變-聚變目標。由此產生的爆燃膨脹通過一個磁性噴嘴產生推力,併產生下一個脈衝的充電能量。Z型箍縮是一種在很短時間內(~ 100 ns)壓縮實驗室等離子體至高壓(~ 1毫巴)的常用裝置。放電在等離子體柱的外表面產生高軸向電流,進而產生非常強的環形磁場。這種自生磁場通過洛倫茲力與軸向電流相互作用,並徑向壓縮等離子體柱,使之達到極高的密度和溫度。研發團隊正在探索優化Z型箍縮幾何結構,通過在液態鋰護套內強化裂變-聚變目標,提供電流返回路徑。數值結果顯示,壓縮水平足以達到裂變臨界。裂變能提高聚變反應速率,產生更多的中子促進裂變過程。這一概念將有可能達到30000秒的特定脈衝,其推力水平足以在一個月內到達火星,並在幾十年內到達星際空間。

星際先驅任務推進架構突破性進展


資助NASA噴氣推進實驗室

    突破性推進架構採用一公里規模,數百兆瓦級的相控陣激光束將能量傳送到載具上,用作數百兆瓦級的電源,產生58,000s的特定脈衝。電力推進系統可使排汽速度達到100~200 km/s,實現在15年內到達太陽引力透鏡位置550AU。

    第一階段研究涵蓋初始方案中所有關鍵性假設:區域密度為200g/m2的光伏陣列開發可行性,特定功率低於0.3 kg/kW的大功率電力推進系統開發可行性,光伏電池轉換為激光頻次,效率超過50%的可行性,具備規定精度和穩定性的激光陣列執行太陽引力透鏡位置參考任務可行性。第一階段工作確定了實現上述技術目標的合理方法。

    此外,第一階段的工作著眼於整個推進系統結構的系統工程,其目標是實現激光孔徑最小化。初始方案假設存在帶有10km直徑光圈的相控陣激光,激光頻率1064 nm時輸出功率為100MW。假設激光通過175m直徑的光伏陣列直接耦合到特定脈衝為58,000s的鋰燃料離子推進器,為70MW電力推進器提供電力。

     第一階段工作顯示,更好的方法是採用帶有2km直徑光圈,輸出功率400MW,頻率為300nm的激光來驅動載具,110m直徑光伏陣列以40,000s脈衝為10MW電力推進系統供電。第二階段計劃在太陽引力透鏡任務背景下繼續研發第一階段設計,解決以下幾個技術可行性問題:

(1)驗證由鋰離子推進系統創建的,可在超過6kv等離子環境下運行的光伏(PV)試片。

(2)驗證光伏電池效率不低於50%的單色效應輸入。

(3)模擬離子推進光圈系統產生的鋰等離子體羽流特性。

(4)驗證小光圈(直徑為0.3m~1m),低功率(幾百瓦),具備相干長度和信標反饋的相控陣運行。

(5)研究長時間往返光延時的信標相位鎖定。

(6)研究激光定位對跨軌道推力的影響。第二階段工作還計劃制定一項技術路線圖,其中包括技術演示任務,為實現最終系統架構打下基礎。

NIMPI:納米冰月球推進劑採集器


    根據近十年來的研究,未來10年太空探索的一個關鍵任務是樣本返回。然而,這一任務比傳統的探索任務更加昂貴,因為運載火箭需要兩倍的速度增量,因此需通過現場資源利用和小型化來降低成本。

    NIMPH項目開發了小型資源利用(ISRU)系統,為返程推進劑生產液氧液氫。該系統利用立方體衛星開發優勢,使ISRU系統幹質量與現有系統相比降低90%。通過這一項目可實現航天器目的地現場補充燃料,如木衛二、火星月球等,可大大降低航天器大小與成本。

星際穿越:馬赫效應用於空間推進


資助空間研究所

    研究應用於太空任務的革新推進技術,馬赫效應重力輔助(MEGA)推進力是經過同行評估、技術可靠的物理現象。馬赫效應是靜止物體同時經歷加速度和內部能量變化的瞬態變化。

第一階段研究成果如下:

(1)利用啁啾光脈衝減少加熱,提供持續時間更長的推進能力。

(2)設計開發允許1f和2f頻率阻抗匹配設備交流輸入的電路,大大提高MEGA驅動效率。

(3)優化裝置理論模型,Proxima b星際任務探測器概念化。

    第二階段研究中,關鍵一步是對採用更高頻率的新設計進行測試。馬赫效應用於推進是革命性的,採用這個推進系統就無需像其它推進系統那樣攜帶推進劑,超越了傳統的化學推進、核推進和電推進。一旦獲得應用,飛離太陽系、實現星際穿越將成為現實,人類將獲得革命性的深空探測能力。


本文轉自空天動力瞭望公眾號




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