太陽能火箭，可能是我們未來進入星際空間的多數選擇

NASA聘用的研究人員剛剛對這個具有數十年歷史的概念進行了首次測試。

如果傑森·本科斯基（Jason Benkoski）是對的，那麼通往星際空間的道路，就開始於一個裝在馬裡蘭州實驗室高架後面的運輸貨櫃。這種設置看起來像是一部低成本的科幻電影中的東西：容器的一面牆襯有成千上萬個LED燈，中央難以捉摸的金屬格架向下延伸，厚實的黑色窗簾部分遮蓋了設備。這是約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的太陽模擬器，該工具可以以20個太陽的強度發光。在星期四下午，本科斯基（Benkoski）在格子架上安裝了一塊黑白的小瓷磚，並在裝置周圍拉出了深色的帘子，然後才走出運輸貨櫃。然後他打了電燈開關。

太陽模擬器起泡後，Benkoski開始通過一條小的嵌入式管子抽液氦，該管子蜿蜒穿過板子。氦氣在通過通道纏繞並膨脹時會吸收來自LED的熱量，直到最終通過小噴嘴釋放出來。聽起來可能並不多，但是Benkoski和他的團隊只是展示了太陽熱推進，這是以前理論上由太陽的熱量驅動的火箭發動機。他們認為這可能是星際探索的關鍵。

材料「Benkoski說：對於某人來說，拒絕這個想法真的很容易，並且，在信封的背面，它看起來很棒，但是，如果您實際構建它，您將永遠無法獲得這些理論數字。應用物理實驗室的科學家，以及太陽能熱推進系統研究團隊的負責人。這表明，太陽能熱推進不僅僅是一個幻想。它實際上可以工作。

旅行者1號和旅行者2號只有兩個太空飛行器離開了我們的太陽系。但這是他們完成探索木星和土星的主要任務後獲得的科學獎勵。這兩架太空飛行器都沒有配備正確的儀器來研究，我們恆星的行星固定區與宇宙其餘部分之間的邊界。另外，旅行者雙胞胎的速度很慢。它們以每小時30,000英裡的速度行進，花了將近半個世紀的時間才擺脫了太陽的影響。

但是他們從邊緣發送回的數據非常誘人。這表明物理學家對太陽系邊緣環境的預測是錯誤的。毫不奇怪，一大批天體物理學家，宇宙學家和行星科學家都在呼籲專門的星際探測器來探索這一新領域。

在2019年，NASA聘請了應用物理實驗室研究專門的星際任務的概念。明年年底，研究小組將其研究結果提交給美國國家科學，工程和醫學研究院的日光物理年代學調查，該調查確定了未來10年與太陽有關的科學優先事項。從事星際探測器」計劃的APL研究人員正在研究任務的各個方面，從成本估算到儀器儀表。但是，到目前為止，僅僅弄清楚如何在任何合理的時間內到達星際空間，就是最大，最重要的難題。

太陽系的邊緣（稱為絕經）非常遙遠。到太空飛行器到達冥王星的時候，它只是星際空間的三分之一。APL小組正在研究一種探測器，該探測器的飛行距離將比太陽系的邊緣還要遠三倍，即500億英裡的路程，大約是旅行者號飛船到達邊緣所需時間的一半。為了完成這種任務，他們需要一個不同於以往任何東西的探測器。我們要製造出比以往任何時候都更快，更遠，更接近太陽的太空飛行器，本科斯基說。這就像您可能做的最困難的事情。

11月中旬，《星際探測器》的研究人員在網上舉行了為期一周的會議，以分享研究進入最後一年的最新情況。在會議上，來自APL和NASA的團隊分享了他們在太陽熱推進方面的工作成果，他們認為這是探究星際空間的最快方法。這個想法是用來自太陽的熱量而不是燃燒來為火箭發動機提供動力。根據本科斯基（Benkoski）的計算，這種發動機的效率大約是當今最好的傳統化學發動機的三倍。從物理學的角度來看，我很難想像在效率方面可以擊敗太陽熱推進的任何事物，Benkoski說。但是你能阻止它爆炸嗎？

與安裝在火箭尾部的常規發動機不同，研究人員正在研究的太陽熱力發動機將與太空飛行器的護罩集成在一起。堅固的扁平外殼由黑色碳泡沫製成，一側塗有白色反光材料。從外觀上看，它與Parker Solar Probe上的隔熱罩非常相似。關鍵區別在於隱藏在表面下方的曲折管道。如果星際探測器靠近太陽，並將氫推入其防護罩的脈管系統，氫將膨脹並從管道末端的噴嘴爆炸。隔熱罩會產生推力。

430,000英裡/小時

理論上很簡單，但實踐上卻很難。太陽熱能火箭只有能夠發動Oberth機動才能有效，軌道機動是一種將太陽變成巨大彈弓的軌道機械裝置。太陽的引力就像一個力的倍增器，如果宇宙飛船繞著恆星繞圈射擊其引擎，太陽的引力將極大地提高飛船的速度。飛船在Oberth機動中越靠近太陽，它就會越快。在APL的任務設計中，星際探測器將從太陽的滾轉表面通過僅一百萬英裡。

換個角度看，到2025年NASA的派克太陽探針（Parker Solar Probe）最接近時，它距太陽表面的距離為400萬英裡，並以每小時近430,000英裡的速度進行預訂。這大約是星際探測器要達到的速度的兩倍，而派克太陽探測器在七年的時間裡藉助太陽和金星的重力輔助而提高了速度。「星際探測器」必須在圍繞太陽的單次射擊中從每小時約30,000英裡的速度加速到每小時約200,000英裡的速度，這意味著要靠近恆星。真的很近。

NASA噴氣推進實驗室的材料技術專家Dean Cheikh表示，對太陽大小的熱核爆炸進行安撫會帶來各種各樣的材料挑戰，他在最近的會議上介紹了有關太陽熱火箭的案例研究。對於APL任務，探測器在完成Oberth機動時將在約4,500華氏度的溫度下花費約2.5個小時。它的熱量足以使它穿過Parker Solar Probe的擋熱板，因此，NASA的Cheikh團隊發現了可以塗在外部以反射熱能的新材料。結合流過隔熱板通道的氫氣的冷卻效果，這些塗層將使星際探測器在被太陽猛烈轟擊時保持涼爽。Cheikh說：您希望最大程度地發揮作用。

我們沒有太多選擇

更大的問題是如何處理流過通過通道的熱氫氣。在極高的溫度下，氫氣會直接通過隔熱罩的碳基芯吞噬，這意味著通道內部必須用更堅固的材料覆蓋。該團隊確定了一些可以完成這項工作的材料，但是關於其性能（尤其是極端溫度）的數據很少。Cheikh說：沒有很多材料可以滿足這些需求。從某些方面來說這是好的，因為我們只需要研究這些材料。但這也很糟糕，因為我們沒有太多選擇。

Cheikh說，他的研究最大的收穫是，在將太陽熱能火箭發射到太陽周圍之前，需要對隔熱板材料進行大量測試。但這不是一個破壞交易的行為。實際上，材料科學的驚人進步使該想法在美國空軍工程師最初構思60多年後終於變得可行。我以為我獨立提出了這個好主意，但人們在1956年就開始談論它了，本科斯基說。「增材製造是其中的關鍵組成部分，而20年前我們做不到。現在，我可以在實驗室中3D列印金屬了。

即使本科斯基不是第一個提出太陽能熱推進概念的人，他仍然相信他是第一個演示原型發動機的人。Benkoski和他的團隊在對貨櫃中的槽形瓷磚進行實驗的過程中表明，當氣體通過隔熱罩中的嵌入式管道時，可以利用陽光產生推力來加熱氣體。這些實驗有幾個局限性。他們使用的材料推進劑與實際任務所用的材料不同，其測試溫度遠低於星際探測器所經歷的溫度。Benkoski說，但是重要的是，低溫實驗的數據與模型相吻合，這些模型預測了一旦對不同的材料進行了調整，星際探測器將如何執行其實際任務。我們在永遠不會飛的系統上做到了。現在，第二步是我們開始用在真實太空飛船上進行Oberth機動時要用的材料代替這些組件。」Benkoski說。

還有很長的路要走

這個概念在準備用於任務之前還有很長的路要走-而且星際探測器研究僅剩一年，因此沒有足夠的時間發射小型衛星在低地球軌道上進行實驗。但是，到Benkoski和他的APL同事明年提交報告時，他們將產生大量的數據，這些數據為太空測試奠定了基礎。無法保證美國國家科學院會選擇星際探針概念作為未來十年的頭等大事。但是，每當我們準備將太陽拋在後面時，就有很大的機會，我們將不得不利用它來推動出門。