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隼鳥號靠什么飛了60 億公里

來源:外灘畫報       更新時間:2010-7-7 23:14:35
 

深太空探測飛行器隼鳥號近日終于回歸地球,并且取得了距離地球3 億公里的小行星“絲川”上的空氣及土壤的樣品。作為人類有史以來最遠的一次往返式深宇宙探險,隼鳥號的行程長達60億公里,即便是光速行走要到達這樣遠的距離仍然需要5 個多小時。而隼鳥號走完這60 億公里的旅程花了整整七年時間,對于人類的探空歷史而言, 隼鳥號的勝利歸來無疑是具有里程碑性質的一次太空冒險。

等離子火箭可以將太空旅行的時間縮短,并節省一半成本。在隼鳥號之前,這或者還是一種基于理論的理想,但隼鳥號的勝利返航,卻證明了這種新的推動技術,可能會真的改變人類太空漫游的足跡。

傳統的化學火箭雖然推進力強勁,但是耐力有限。美國航天飛機上天,需要一個比自身和助推火箭體積都大的燃料艙去提供推進力;然而即便如此,在沖出大氣層之前,燃料艙中的燃料已經被耗盡拋棄。如果想采用化學火箭進行長距離宇宙旅行,恐怕需要一個月亮大的燃料艙才能足夠支持飛到太陽系邊緣。

30 多年前,由華裔科學家張福林領銜的美國科研小組為深度太空旅行開發出一種新的等離子火箭發動機,等離子火箭采用和化學火箭完全不同的工作原理。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場,向后噴射產生動能。只要有電能存在,火箭就能源源不斷地提供動力。由于太空是完全真空的環境,基本不存在空氣阻力的影響。因此這種發動機雖然在一定時間內推力不如化學火箭強勁,卻能夠給飛行器帶來源源不絕的動力。如果在太空中長時間采用等離子火箭進行加速,則速度的疊加將會遠遠超過化學火箭,后者在短時間加速后,只能持續滑行。這就相當于馬拉松運動員與短跑運動員的區別。

在隼鳥號之前,大部分等離子火箭只作為輔助動力使用,例如在地球同步軌道上衛星的姿態調整。然而由于隼鳥號的目標是前所未有的太空深處,因此只有采用四臺等離子火箭才能滿足任務的需求。盡管在長達7 年的使用中,隼鳥號上的四臺發動機有三臺損壞,幾乎導致任務失敗。然而經過科學家們的努力最終還是成功返航。

太陽帆的力量

在大航海時代的早期,蒸汽動力還未發明的時代,風帆是航海家們唯一可靠的動力。然而在太空大探險時代來臨的今天,太空帆船也許會是人們值得依靠的工具。太陽帆與地球上常用的光伏太陽能板并不是一回事。事實上太陽帆的原理是通過太陽輻射到宇宙中的帶電粒子來產生動能,你可以把太陽光想象成太空中的風,而太陽帆正是這種乘太陽風而行的風帆。單靠等離子火箭產生的推力并不足以讓隼鳥號走完整個60億公里的旅程。因此科學家為隼鳥號設計了長達14 米的太陽帆。

事實上太陽帆將給航天器 帶來高達每秒30 公里的速度,也就是意味著即便是失去了等離子火箭的推力,隼鳥號仍能獲得最高達每小時10 萬公里的速度。事實上在多臺發動機損壞的情況下,隼鳥號返回地球的過程中太陽帆的作用功不可沒。

行星的引力

盡管隼鳥號擁有太陽帆和等離子火箭兩套動力系統交替使用,然而在浩瀚的太空旅程中,還有一種動力是不可忽視的。最早提出引力助推法的科學家是蘇聯的尤里·康德拉圖克,他在1918年的論文中提出,在兩顆行星間飛行的飛船可以使用行星間的引力實現軌道初段的加速和軌道末段的減速。

其實這就與騎自行車下坡的狀況相似,地球距離“絲川”小行星僅有3 億公里,然而隼鳥號的往返卻行走了超過60 億公里,等于兩者之間的直線距離的幾十倍。事實上多余的路程主要就是花在引力助推上。由于太空中的天體并不是靜止不動的,因此要想利用行星間的引力進行加速,則必須計算自身和行星間的運行軌道。在合適的時間和地點與之會合進行加速,并且在加速到了一定程度后脫離,避免被行星引力吸入。這樣導致隼鳥號的運行軌道往往是一條條橢圓形的路線,盡管行走的距離遠了,但是卻節省下了寶貴的燃料并且獲得了更高的速度。

三維空間中的運動

無論是太空探索還是地面的飛行器運動,人們都會發現往往兩點間運動的最快路線不是直線而是曲線。以空對空導彈為例,由于其追蹤的目標為一個在三維空間高速運動的物體,因此如果直線朝向目標運動則往往會錯過。而且受到地球

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