NASA开始对革命性电子能帆技术进行测试(图)

按照科学家的构想,电动太阳能帆(E-Sail)是一个巨大的圆形电动帆。它由极长极薄的裸电线构成,能对快速移动的太阳质子进行静电排斥。带正电的电线对太阳质子进行排斥所产生的动能交换能够为宇宙飞船产生推动力。

太阳风顶层静电快速传输系统(Heliopause Electrostatic Rapid Transit System, HERTS)E-sail项目首席研究员,NASA工程师Bruce Wiegmann展示了构成电子帆的细长电线,每一根电线极薄,宽度只有1毫米(大约是一个标准曲别针的宽度),长度为12.5英里。

研究人员将在一间等离子体控制室(高强度太阳能环境测试系统,the High Intensity Solar Environment Test system)使用一根带正电的电线检测质子和电子的碰撞速率。测试结果将帮助研究人员完善数据模型,以便E-Sail技术的后续开发。

研究人员在NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔马歇尔航天飞行中心(Marshall Space Flight Center)展开了相关测试。测试针对的是一种革命性新型概念的推进系统,该系统能够使航天器达到前所未有的速度,并帮助航天器抵达太阳系边缘——太阳风顶层的速度。

测试结果将为HERTS提供建模数据。HERTS E-Sail这一系统构想使用推进燃料,而利用太阳风作为推进动力进行星际空间探索。

“太阳以高速向太阳风释放质子和电子——速度可达每秒400-750千米,”马歇尔中心先进概念办公室工程师、HERTS E-Sail项目首席研究员Bruce Wiegmann表示,“E-Sail将利用这些质子来推进航天器。”

从飞船中心向外延伸,能够部署10到20根带电铝线,从而形成一个巨大的圆形E-Sail风帆。E-Sail会对太阳风里快速移动的质子进行静电排斥,而带正电的电线对太阳质子进行排斥所产生的动能交换能够为宇宙飞船产生推动力。每一根电线宽度只有1毫米(大约是一个标准曲别针的厚度),长度为12.5英里(相当于219个足球场的长度)。缓慢旋转的航天器旋转速度为每小时一圈,旋转所产生的离心力将使得电线伸展到指定位置。

测试在高强度太阳能环境测试系统(the High Intensity Solar Environment Test system)中进行,研究人员将使用一根带正电的电线检测质子和电子的碰撞速率。为模拟太空中的等离子体环境,研究团队将在等离子体控制室内使用不锈钢丝代替轻量级铝丝进行测试。尽管不锈钢的密度比铝大,但不锈钢不生锈的特性能够模拟铝在太空环境下的特性,这样就能在没有降级的环境下进行多次测试。

工程师将在等离子体控制室内测量受带电电线影响而型变的质子,以完善建模数据,便于E-sail技术后续规模化开发应用。试验还将确认受电线吸引的电子数量,这一信息将用以确定开发所需要的电子枪(电子发射器)的技术参数。电子枪能够驱除飞船中多余的电子,以维持电线正电压偏差,这一点对于推进系统来说是非常重要的。

这一概念建立于芬兰气象研究所(the Finnish Meteorological Institute)Pekka Janhunen博士的电子帆发明,但当前E-Sail组合推进系统所需要的技术尚处于一个低级的准备水平。即使历时两年的等离子体测试、数据建模以及电线部署调查都能得到可行的结果,研究人员还需要就新型推进系统做很多必要的设计和建造工作。这项技术要付诸实际使用可能还需要至少10年的时间。

HERTS电子帆概念的研究是为了响应美国国家科学院(the National Academy of Science)于2012年开始的太阳物理学十年调查(Heliophysics Decadal Survey)而展开的。太阳物理学十年调查是由来自NASA、企业、学术界以及政府机构的多名专家所进行的一项研究,该研究认为人类未来对太阳风层探索的最大技术障碍就是缺乏先进的推进系统。这项调查提出了2013-2022年太阳物理学界研究优先顺序的规划图,强调我们需要可以帮助飞船以更快速到达太阳系边缘的推进系统。

为将科学探测器送入星际深空,电子帆必须扩大其有效面积。星际航行的航程通常以天文单位(astronomical unit,地球与太阳间的平均距离,约为9300万英里)来计量。航程为1个天文单位时,E-Sail的有效面积为232平方英里(大约比芝加哥城市稍小一点)。在航程达到5个天文单位时,有效面积将增至大于463平方英里(差不多是整个洛杉矶的大小)。

有效面积的增大将使得电子帆比其他推进系统拥有更远的加速距离。例如,如果太阳帆飞船飞到小行星带时,航程为5个天文单位,太阳质子的能量就会开始消散,并导致加速停止。Wiegmann认为,电子帆飞船能够在5个天文单位后继续加速。

“利用太阳风质子不会产生那样的顾虑,”他说,“由于连续不断的质子流以及有效面积的持续增加,电子帆能够继续加速飞行至16-20个天文单位——这一航距至少是太阳帆飞船的四倍,这也能产生更快的速度。”

2012年,NASA旅行者1号成为第一艘穿越太阳风顶层进入星际宇宙的宇宙飞船。旅行者1号于1977年发射,花费35年,跨越121个天文单位完成了这一旅程。而HERTS项目旨在研发出只用一款电子帆,它只需用旅行者1号三分之一的时间就能完成相同的旅程。

“我们的研究发现以电子帆驱动的星际探索任务将仅用不到10年的时间就能抵达太阳风顶层,”Wiegmann说,“这将会对这一类科学探索任务产生变革性影响。

HERTS E-Sail概念的研发和测试由NASA空间技术任务指挥部(Space Technology Mission Directorate,STMD)通过NASA创新先进概念项目(NASA Innovative Advanced Concepts - NIAC Program)提供资金支持,这一项目旨在鼓励人们提出有远见的想法,为未来太空项目带来极大进步或全新概念的转变。NIAC项目研究对象都是具有创新性、在技术上可靠的先进概念,这些概念今后可能在航空宇宙中“带来一些可能的改变”。

HERTS团队在2015年被选为NIAC2期团队,获得额外50万美元的奖金以进一步测试电子帆技术。NIAC期待电子帆不仅能够改变NASA飞船抵达太阳风顶层的航行方式,而且能够改变NASA飞船在太阳系内的航行方式。

“随着项目团队对这一概念的研究深入,我们发现这一设计具有很强的灵活性和适用性,”Wiegmann表示,“任务和飞行器设计师能够更换电线长度、电线数量和电压等级来满足他们的设计需求——无论是内行星级、外行星级还是太阳风顶层的行距。电子帆具有很强的扩展性。”

在飞船旋转的过程中,工程师能够通过调整单个电线的电压来掌控飞船的方向。向电子帆不同位置施加不同大小的力将使得工程师能够掌舵宇宙飞船,就像是在水中行船一样。(校对:梧松杨满生 )

相关新闻

    接下来

      推荐阅读