人類航天的下一個十年:核聚變動力宇宙飛船即將飛向深空

2020-11-22 前瞻網

人類航天的下一個十年：核聚變動力宇宙飛船即將飛向深空

 Connor Feng • 2019-06-13 15:53:08　來源：前瞻網　E1397G0

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來源：視覺中國

聚變驅動的宇宙飛船可能很快就不會再只是科幻小說中的夢想了。

研究人員說，如果一切按計劃進行的話，DFD引擎(Direct Fusion Drive，直接融合)將能夠在2028年左右首次投入使用。

這對太空迷來說將會是一個大新聞，項目組成員說，這個小型貨車大小的DFD有效負荷重量可以達到22000磅(一萬公斤)，並且只需要用兩年的時間就能到達土星，或者在發射五年內到達冥王星。(對比數據：美國宇航局的卡西尼號探測器花了6.75年的時間才到達土星，而該機構的新視野號探測器花了9.5年的時間才到達冥王星。)

此外，該發動機還可以作為一種強大的動力源，這意味著該技術可以在地球以外的地方有廣泛應用。

上個月底，新澤西州普林斯頓衛星系統副總裁、項目組成員史蒂芬妮·託馬斯(Stephanie Thomas)在與美國國家航空航天局(NASA)未來太空行動工作組(Future in space Operations working group)發表的一次演示中說，目前，這可能有助於美國宇航局計劃中的月球軌道空間站，以及月球和火星基地。

DFD是普林斯頓場反轉結構(PFRC , Princeton Field-Reversed Configuration)的一個變體，PFRC是普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的Samuel Cohen在本世紀初發明的一個聚變反應堆概念。託馬斯解釋說，DFD基本上就是一個開放式的PFRC反應堆，通過排氣流來產生推力。

DFD的內部將含有氦-3和氘的熱等離子體，氘是一種特殊的「重」氫，其原子核中有一個中子(與沒有中子的「正常」氫相反)。託馬斯說，這些元素的原子會在等離子體中發生融合，產生大量的能量，和非常少量的危險輻射。

聚變等離子體會加熱在裝置外流動的冷卻推進劑，隨後這種推進劑會由發動機後部的噴嘴噴出，從而產生推力。

託馬斯說，所有的熱量都轉化成大量的能量——可能在1到10兆瓦之間。DFD將利用這種能量，使用「布雷頓循環」發動機將大部分熱量轉化為電能。

這意味著DFD任務在到達目的地後可以進行大量的科學工作。託馬斯說，舉例來說，一個裝有聚變裝置的冥王星軌道飛行器可以將能量向下發送到冥王星表面的著陸器上，同時還可以向地球發回高清視頻。

不過，核聚變一向都具有難以駕馭的傳奇色彩;目前，還沒有人成功地展示出一個在商業上可行的完整聚變反應堆。(就像一個老笑話說的那樣，「核聚變是未來的能源，而且永遠都是。」)但是託馬斯和她的團隊認為他們的概念有很大的成功機會。

「DFD不同於其他聚變反應堆的概念，」她說，她提到了該概念的體積小、操作乾淨、低輻射和獨特的等離子體加熱方法(使用無線電波天線)。

DFD小組最近已從各種機構獲得資金，以繼續發展這一概念。例如，該小組2016年至2019年的工作得到了美國宇航局創新先進概念項目(NASA innovation Advanced Concepts program)兩輪資金的支持，該項目旨在培育具有潛在革命性的太空飛行技術的發展。

DFD今年還獲得了先進研究項目機構-能源(ARPA-E)獎，該獎將資助該小組在明年的進一步研究。

該團隊已經通過PFRC-1實驗和PFRC-2展示了一些核心概念。PFRC-1實驗於2008年至2011年在PPPL運行，PFRC-2實驗目前則正在運行。研究人員尚未實現核聚變，但他們希望能夠在本世紀20年代中期的PFRC-4實驗中實現核聚變。

在實現核聚變不久之後，一個飛行原型機就會面世。託馬斯說，在一次成功的演示飛行之後，最早的真正飛行任務可能會在2028年進行。

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