太阳能火箭可能是我们进入星际空间的门票

如果杰森·本科斯基（Jason Benkoski）是对的，那么通往星际空间的道路就始于一个装在马里兰州实验室高架湾后面的运输集装箱。设置看起来像是一部廉价的科幻电影中的东西：容器的一面墙壁上衬有成千上万个LED，一个难以捉摸的金属格子从中央向下延伸，厚实的黑色窗帘部分遮盖了设备。这是约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的太阳模拟器，该工具可以在20个太阳强度下发光。在星期四下午，本科斯基（Benkoski）在格子架上安装了一块黑白的小瓷砖，并在装置周围拉下了深色的窗帘，然后才走出运输集装箱。然后他打了电灯开关。

太阳模拟器起泡后，Benkoski开始通过一条小的嵌入式管子抽液氦，该管子蜿蜒穿过板子。氦气在通过通道缠绕并扩散之前一直吸收来自LED的热量，直到最终通过小喷嘴释放出来。听起来可能并不多，但是本科斯基（Benkoski）和他的团队只是展示了太阳热推进，这是一种以前理论上由太阳热量提供动力的火箭发动机。他们认为这可能是星际探索的关键。

材料“ Benkoski”说：“对于某人来说，拒绝这个想法真的很容易，并且说，'在信封的背面，它看起来很棒，但是，如果您实际构建它，您将永远无法获得这些理论数字。”应用物理实验室的科学家，以及太阳能热推进系统研究团队的负责人。 “这表明，太阳能热推进不仅仅是一个幻想。它实际上可以工作。”

旅行者1号和旅行者2号只有两个航天器离开了我们的太阳系。但这是他们完成探索木星和土星的主要任务后获得的科学奖励。这两架航天器都没有配备正确的仪器来研究我们恒星的行星固定区与宇宙其余部分之间的边界。另外，旅行者双胞胎的速度很慢。它们以每小时30,000英里的速度行进，花了将近半个世纪才摆脱了阳光的影响。

但是他们从边缘发送回的数据非常诱人。它表明物理学家对太阳系边缘环境的许多预测是错误的。毫不奇怪，一大批天体物理学家，宇宙学家和行星科学家都在呼吁专门的星际探测器来探索这一新领域。

在2019年，NASA聘请了应用物理实验室研究专门的星际任务的概念。明年年底，研究小组将其研究结果提交给美国国家科学，工程和医学研究院的日光物理年代学调查，该调查确定了未来10年与太阳有关的科学优先事项。从事“星际探测器”计划的APL研究人员正在研究任务的各个方面，从成本估算到仪器仪表。但是，仅弄清楚如何在任何合理的时间内进入星际空间，是迄今为止最大，最重要的难题。

太阳系的边缘（称为绝经）非常遥远。到航天器到达冥王星时，它仅是进入星际空间的三分之一。而且，APL小组正在研究一种探测器，该探测器的飞行距离将比太阳系边缘远三倍，行程为500亿英里，大约是旅行者号飞船到达边缘所需时间的一半。为了完成这种任务，他们需要一个不同于以往任何东西的探测器。 “我们要制造出比以往任何时候都更快，更远，更靠近太阳的航天器，”本科斯基说。 “这就像您可能做的最困难的事情。”

11月中旬，《星际探测器》的研究人员在网上举行了为期一周的会议，以分享研究进入最后一年的最新情况。在会议上，来自APL和NASA的团队分享了他们在太阳热推进方面的工作成果，他们认为这是探究星际空间的最快方法。这个想法是用来自太阳的热量而不是燃烧来为火箭发动机提供动力。根据本科斯基（Benkoski）的计算，这种发动机的效率大约是当今最好的常规化学发动机的三倍。 Benkoski说：“从物理学的角度来看，我很难想象有什么能在效率上击败太阳热推进。” “但是你能阻止它爆炸吗？”

与安装在火箭尾部的常规发动机不同，研究人员正在研究的太阳热力发动机将与航天器的护罩集成在一起。坚固的扁平外壳由黑色碳泡沫制成，一侧涂有白色反光材料。从外观上看，它与Parker Solar Probe上的隔热罩非常相似。关键区别在于隐藏在表面下方的曲折管道。如果星际探测器靠近太阳，并将氢推入其防护罩的脉管系统中，则氢将膨胀并从管道末端的喷嘴爆炸。隔热罩会产生推力。

理论上很简单，但实践上却很难。太阳热能火箭只有能够发动Oberth机动才有效，轨道机动是一种将太阳变成巨大弹弓的轨道机械装置。太阳的引力就像一个力的倍增器，如果航天器绕着恒星绕圈射击发动机，太阳的引力将大大提高飞船的速度。在Oberth机动中，航天器越靠近太阳，它将越快。在APL的任务设计中，星际探测器将从其滚降面通过仅一百万英里。

确切地说，到2025年NASA的派克太阳探针（Parker Solar Probe）最接近太阳时，它距太阳表面的距离为400万英里，并以每小时近430,000英里的速度进行预订。这大约是星际探测器要击中的速度的两倍，而派克太阳探测器在七年的时间里借助太阳和金星的重力辅助提高了速度。 “星际探测器”必须围绕太阳一圈，从每小时约30,000英里的速度加速到每小时约200,000英里的速度，这意味着要靠近恒星。真的很近。

NASA喷气推进实验室的材料技术专家Dean Cheikh说，对太阳大小的热核爆炸进行舒适训练会带来各种各样的材料挑战，他在最近的会议上介绍了有关太阳热火箭的案例研究。对于APL任务，探测器在完成Oberth机动时将在大约4,500华氏度的温度下花费大约两个半小时。热量足够高，无法通过派克太阳探测器的隔热板融化，因此Cheikh在NASA的团队发现了可以涂在外部的新材料以反射热能。结合流经隔热罩通道的氢气的冷却效果，这些涂层将使星际探测器在被太阳猛烈照射时保持凉爽。 Cheikh说：“您希望最大程度地发挥作用。” “即使材料反射率的微小差异也开始显着加热您的航天器。”

更大的问题是如何处理流过通道的热氢。在极高的温度下，氢气会直接通过隔热罩的碳基芯吞噬，这意味着通道内部必须用更坚固的材料覆盖。该小组确定了一些可以完成这项工作的材料，但有关其性能（尤其是极端温度）的数据很少。 Cheikh说：“没有太多材料可以满足这些需求。” “从某些方面讲是很好的，因为我们只需要研究这些材料。但这也很糟糕，因为我们没有太多选择。”

Cheikh说，他的研究最大的收获是，在将太阳热能火箭发射到太阳周围之前，需要对隔热板材料进行大量测试。但这不是一个破坏交易的人。实际上，材料科学的惊人进步使该想法在美国空军工程师最初构思60多年后终于变得可行。 “我以为我独立提出了这个好主意，但人们在1956年就开始谈论它了，”本科斯基说。 “增材制造是其中的关键组成部分，而20年前我们做不到。现在，我可以在实验室中3D打印金属了。”

即使Benkoski并非第一个提出太阳热推进概念的人，他仍然相信他是第一个演示原型发动机的人。 Benkoski和他的团队在对集装箱中的槽形瓷砖进行实验的过程中表明，当气体通过隔热罩中的嵌入式管道时，可以利用阳光产生推力来加热气体。这些实验有几个局限性。他们使用的材料或推进剂与实际任务所用的材料不同，其测试温度远低于星际探测器所经历的温度。但是重要的是，低温试验的数据与模型相吻合，这些模型预测了一旦对不同的材料进行了调整，星际探测器将如何执行其实际任务，这是低温实验的数据。 “我们在永远不会飞的系统上做到了。现在，第二步是我们开始用在真实太空飞船上进行Oberth机动时要用的材料代替这些组件。” Benkoski说。

这个概念在准备用于任务之前还有很长的路要走，而且在《星际探测器》的研究中只剩下一年的时间，因此没有足够的时间发射小型卫星来进行低地球轨道的实验。但是，到Benkoski和他的APL同事明年提交报告时，他们将产生大量的数据，这些数据为太空测试奠定了基础。不能保证美国国家科学院会选择星际探测概念作为未来十年的头等大事。但是，只要我们准备将太阳抛在后面，就有很大的机会，我们将不得不利用它来促进出门。