伊卡洛斯航行計(jì)劃：超導(dǎo)態(tài)的“星際風(fēng)箏” _宇宙

宇宙飛船在動(dòng)力系統(tǒng)上需要大量應(yīng)用超導(dǎo)材料
【伊卡洛斯航行計(jì)劃：超導(dǎo)態(tài)的“星際風(fēng)箏”】由英國(guó)星際協(xié)會(huì)與Tau Zero基金會(huì)發(fā)起的，伊卡洛斯星際公司具體管理的伊卡洛斯星際航行工程是人類目前執(zhí)行的一個(gè)向距離太陽(yáng)系最近的恒星系統(tǒng)發(fā)射無(wú)人宇宙飛船的計(jì)劃，而除了漫長(zhǎng)的宇宙航行考驗(yàn)著飛船的各系統(tǒng)工作的連續(xù)性以及超遠(yuǎn)距離的星際通訊等等難題外，在飛船的材料，特別是超導(dǎo)材料的廣泛運(yùn)用上還需要較大的突破，而科學(xué)家依據(jù)三千年前中國(guó)風(fēng)箏的設(shè)計(jì)思路，將使得伊卡洛斯飛船最終在結(jié)構(gòu)上會(huì)更輕，強(qiáng)度上更大。
伊卡洛斯星際航行項(xiàng)目的科學(xué)家亞當(dāng)（Adam Crowl）負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)飛船的燃料以及燃料儲(chǔ)存模塊，并結(jié)合過(guò)去40年來(lái)，人類在航空航天運(yùn)用材料上的進(jìn)步，嘗試著將最新的材料使用在宇航飛行上，并討論如何建造這個(gè)能進(jìn)行恒星際航行的宇宙飛船，其側(cè)重點(diǎn)則放在制造技術(shù)以及材料工藝的考究上。
我們知道，早在三千多年前，古時(shí)代的中國(guó)就發(fā)明了風(fēng)箏，當(dāng)時(shí)古人使用的材料僅僅是竹子和細(xì)綢，隨著時(shí)間的推移，技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)箏也在發(fā)生著各種變化，結(jié)合現(xiàn)代科技塑料以及碳纖維復(fù)合材料的使用，風(fēng)箏脫胎換骨成了我們現(xiàn)在所熟悉的模樣和結(jié)構(gòu) 。同樣，在將近四十年前發(fā)起的“代達(dá)羅斯”航行研究就使用了當(dāng)時(shí)所能提供的最先進(jìn)的材料以及技術(shù)運(yùn)用，比如高密度的耐高溫金屬合金、使用低溫超導(dǎo)體創(chuàng)建磁場(chǎng)和渦輪電力系統(tǒng)對(duì)飛船的供應(yīng)等等。
而從那時(shí)起，幾乎所有人類涉及領(lǐng)域的新材料都被納入視線，例如，碳的同素異形體、高溫超導(dǎo)材料和熱點(diǎn)性能材料，這些應(yīng)用于建筑、電力以及發(fā)電站的新型材料都被用于飛船的設(shè)計(jì) ，將這些新材料用于解決星際航行的問(wèn)題，將推動(dòng)我們?cè)诓牧项I(lǐng)域的發(fā)展。當(dāng)然，代達(dá)羅斯計(jì)劃更多的是側(cè)重于起步研究，而伊卡洛斯計(jì)劃可憑借著21世紀(jì)的宇航技術(shù)提升該計(jì)劃的可操作性，星際航行與每個(gè)國(guó)家發(fā)射各自的衛(wèi)星的航天活動(dòng)不同，其代表的是全人類的意志，與每個(gè)人的利益相關(guān) 。
風(fēng)箏是一種非常古老的飛行器，利用的就是空氣動(dòng)力的原理，而當(dāng)19世紀(jì)中葉的工業(yè)革命在蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等動(dòng)力設(shè)備上的突飛猛進(jìn)，使得飛艇成為了顯赫一時(shí)的飛行器，在此之前，具有古老歷史的風(fēng)箏在相當(dāng)長(zhǎng)的文明歲月里保持著人類發(fā)明的比空氣重的飛行器。科學(xué)家通過(guò)研究風(fēng)箏的的設(shè)計(jì)原理，將其運(yùn)用到星際航行上。而風(fēng)箏則是通過(guò)巧妙的布局，以最低的質(zhì)量來(lái)匹配其所產(chǎn)生的升力。星際航行也存在著這樣的定律，雖然宇宙空間不存在空氣阻力，但是從材料上入手，從而降低飛船質(zhì)量并提供足夠的推重比，以產(chǎn)生更大的加速度。
由于飛船需要進(jìn)行百年的星際航行，燃料對(duì)于飛船而言是有限的，如何充分使用這些燃料，在何時(shí)進(jìn)行合理的加速，以及飛船發(fā)動(dòng)機(jī)周圍產(chǎn)生的余熱能否被結(jié)構(gòu)所吸收利用都將涉及到飛船材料設(shè)計(jì)上的難題。
我們目前使用的火箭都是以化學(xué)燃料為主，包括固體、液體、固液混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)都是使用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量推動(dòng)火箭，比較壯觀的像剛剛退役的航天飛機(jī)，除了有固體發(fā)動(dòng)機(jī)，還駝著一個(gè)巨大的液氫液氧燃料罐，也就是外部燃料箱。這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量的動(dòng)力系統(tǒng)不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射以及隨著發(fā)動(dòng)機(jī)噴射出去的余熱，這都是在損失能量，而星際航行則要盡可能地避免大量的能量隨著熱輻射而損失，小部分熱能還要被外層殼體結(jié)構(gòu)吸收利用。
而其中還有一個(gè)問(wèn)題：飛船上使用的設(shè)備在大幾十年的星際飛行中，還需要保持一個(gè)較適合的工作溫度，所以還得配上巨大的散熱器進(jìn)行散熱。我們不僅要回收損失的熱量，還要想辦法為設(shè)備降溫，這似乎是一個(gè)很棘手的問(wèn)題。科學(xué)家嘗試使用液體或者氣體通過(guò)這些需要降溫儀器的周圍，將輻射出來(lái)的熱能進(jìn)行回收，同時(shí)也達(dá)到了降溫冷卻的目的。
但是，即使這一切都做到位了，還要確保這個(gè)熱循環(huán)系統(tǒng)能在幾千度的工作環(huán)境下工作將近一百年。而這個(gè)還僅是被應(yīng)用于飛船建造的材料所必須忍受的極端條件之一。另一種極端的環(huán)境則是低溫，比如飛船上發(fā)動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)則就要使用超導(dǎo)態(tài)的電纜所產(chǎn)生。在1986年的材料研究上，溫度必須冷卻在零下273攝氏度，逼近絕對(duì)零度時(shí)可產(chǎn)生這類超導(dǎo)現(xiàn)象。而材料研究的進(jìn)步，仍然需要達(dá)到零下243攝氏度，最高溫度值也必須有零下238攝氏度。
而目前的材料學(xué)上的能維持超導(dǎo)的溫度在零下138攝氏度。從幾千攝氏度的溫度到維持超導(dǎo)態(tài)的工作溫度，都對(duì)材料研究產(chǎn)生不小的難題。此外，在飛船上使用的核聚變發(fā)動(dòng)機(jī)中，還要使用質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更大的的絕緣導(dǎo)線，用以抵抗強(qiáng)大的磁力引爆產(chǎn)生的電離輻射，所以，從上述角度可以看出，用于飛船發(fā)動(dòng)機(jī)制造的材料，不僅要承受住幾千度的高溫，也要具有優(yōu)異的超導(dǎo)態(tài)性能，同時(shí)還必須更輕更強(qiáng)，使得飛船得以實(shí)現(xiàn)借鑒風(fēng)箏的設(shè)計(jì)思路。
科學(xué)家估計(jì)，一旦飛船進(jìn)行完長(zhǎng)距離的航行加速后，主發(fā)動(dòng)機(jī)需要被關(guān)閉，并且進(jìn)行減速，這時(shí)候飛船就需要有另一套的電力供應(yīng)體系，這可能是某種結(jié)構(gòu)緊湊而且非常先進(jìn)的核反應(yīng)堆。
從20世紀(jì)70年代起，用于核電站核能轉(zhuǎn)換成電能的一個(gè)相對(duì)有效的方式是使用渦輪發(fā)電機(jī)，由核能產(chǎn)生熱量帶動(dòng)渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng) ，并產(chǎn)生電力。科學(xué)家從那之后，也再討論如何使用熱點(diǎn)材料，將熱量轉(zhuǎn)換成電能，并提高這種能量轉(zhuǎn)換的效率。而渦輪電機(jī)在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，雖然起到了相關(guān)的作用，但是渦輪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)組件間的摩擦明顯會(huì)造成能量的損失，所以在伊卡洛斯飛船上，需要沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的能量交換系統(tǒng)，也就是說(shuō)，科學(xué)家希望使用一個(gè)固態(tài)材料，作為核能與電能之間轉(zhuǎn)換的媒介。
由于飛船要飛行將近百年的時(shí)間，零件磨損不僅會(huì)造成能量累計(jì)效應(yīng)的損失，也使得轉(zhuǎn)動(dòng)零件壽命下降。而采用固態(tài)能量交換機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。相比較而言，在過(guò)去的40年里，制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程顯得有些緩慢，而在材料添加劑制造上的卻有著較大的進(jìn)步，特別是再自動(dòng)化加工設(shè)備上顯得日益強(qiáng)大。各個(gè)部件間的可以做到一層層的吻合，而僅僅是簡(jiǎn)單地將不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接并不能使整體變得更輕更強(qiáng) ，這就需要從材料上入手，由于傳統(tǒng)材料制造工藝上的限制，使得用于宇宙飛船建造的材料在短期內(nèi)達(dá)到最優(yōu)化的水平還有一定的難度。
當(dāng)然，目前開(kāi)發(fā)的這些技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用航空領(lǐng)域，特別是下一代的寬體客機(jī)，使它們更輕、更有強(qiáng)度，比以往任何時(shí)候由人類制造的飛機(jī)更加堅(jiān)固。比如，在20世紀(jì)60年代的阿波羅登月計(jì)劃中，其中就有一個(gè)先進(jìn)的自動(dòng)化焊接系統(tǒng)被成功研制，其被應(yīng)用于組裝體積超級(jí)巨大的土星五號(hào)重型火箭，由于焊接的可靠性以及高效性，使得土星五號(hào)這個(gè)級(jí)別的重型火箭在結(jié)構(gòu)重量上得以減輕，這同時(shí)也是一個(gè)關(guān)于提升材料制造業(yè)能力使航天活動(dòng)得以進(jìn)步的先例之一。
因此，在三千年前風(fēng)箏的設(shè)計(jì)思路的影響下，伊卡洛斯星際航行計(jì)劃將不可避免地受到其啟發(fā)，使得未來(lái)的宇宙飛船結(jié)構(gòu)更輕，推力更大，成為名副其實(shí)的“星際風(fēng)箏”，而其中大量應(yīng)用的超導(dǎo)態(tài)材料，不僅保證了飛船各系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也能促使材料領(lǐng)域的進(jìn)步。

騰訊科技（Everett/編譯）