火箭烧“煤”也能飞 多项新技术拉近人与太空的距离
2015-04-14 09:37:00   来源:中国科学院
内容摘要
中国自己的火箭从今以后将多了一种“食粮”。2015年4月12日11时30分,世界第一台采用液氧煤基航天煤油的火箭发动机,在位于秦岭北麓的中国航天科技集团六院的试验区展开了整机热试车试验,取得圆满成功。这是世界首次将煤基煤油应用于航天领域。标志着我国煤基航天煤油研制取得重要阶段性成果。

世界首次采用液氧煤基航天煤油火箭发动机整机热试车成功

2015年4月12日上午,世界首次采用液氧煤基航天煤油的火箭发动机整机热试车,在位于秦岭北麓的中国航天科技集团六院的试验区取得圆满成功。这是神华煤基燃料迈向太空的关键一步,中国极为稀缺的航天燃料由此增添了一个难得的战略性供给选项。

火箭烧“煤”也能飞 多项新技术拉近人与太空的距离 科技世界网用高效、低毒的液氧+煤油替代常规的肼类燃料,是世界航天推进技术的发展趋势。2012年,由航天六院研制的新一代大推力发动机,使中国成为全球第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机核心技术的国家。而具有中国自主知识产权的神华集团鄂尔多斯百万吨级煤直接液化示范项目,是世界上首个经过工业规模装置验证的现代成熟项目,自2010年投运后一直安全稳定运行。其“煤制油”生产出的煤油具有比重大、体积热值高、高氧化安定性等特点,是航天煤油潜在替代燃料。

2013年,神华煤制油板块与航天六院签署战略合作框架协议,双方就煤基火箭煤油和煤化工专用设备及材料研发推广等全面开展技术合作,联合攻关,同时利用航天技术研发用于煤化工领域的泵、阀、发电装备等关键技术装备。迄今已先后完成煤基航天煤油试制、物理化学性能研究、电传热试验研究、材料相容性等基础研究工作,并采用煤基航天煤油成功进行了两次发生器热试车。

航天六院发动机专家、新一代运载火箭副总设计师刘红军介绍,神华煤基航天煤油各项性能指标与原油基航天煤油相当,完全可以替代后者。


新型合成肌肉将被送入国际空间站测试

可用于制造火星探索机器人

美国科学家研制出了一种新型合成肌肉,其拥有极强的抗辐射能力,且能附着在金属上,因此,有望用于制造更好的义肢以及反应更灵敏的机器人,在深空探索尤其是火星探索领域具有很大用途,美国航空航天局(NASA)将于2015年4月13日将这种材料送入国际空间站,对其性能进行进一步的测试。

火箭烧“煤”也能飞 多项新技术拉近人与太空的距离 科技世界网该材料由丽罗伊•拉斯穆森制造,这种名为电活性聚合物的类似凝胶的材料有潜力通过扩展和收缩来模拟人体肌肉的运动,随后,拉斯穆森同美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家携手合作,使用等离子对钢或钛等金属进行了处理,改变了金属的表面,从而使其能紧密地附着到金属电极上。

2014年夏天,PPPL对这种合成材料进行了关键测试。在一个测试试验中,他们让这种合成材料接受30万吸收剂量(RADs)的伽马辐射(健康人体能承受辐射剂量的20倍,相当于人往返地球与火星之间所受的辐射总量)。第二个测试进行了45个小时,等于人们往返木星所受的辐射总量。

PPPL的工程师拉斯穆森和詹蒂莱发现,在这些高辐射环境下,除了颜色有些许改变外,这种材料的强度、电活性或耐用性都没有变化。而且,即使温度低于接近绝对零度的零下271摄氏度,这种材料也毫发无伤。他们表示,诸多优异性能使其可以成为制造用于深空旅行比如火星探索的机器人的材料。

拉斯穆森说:“没有机器人,我们无法探索太空。人类能够对抗的辐射有限,因此,限制了人在太空停留的时间,如果机器人的抗辐射能力被大幅提升的话,将极大的促进空间探索的发展。”

查尔斯•詹蒂莱表示:“鉴于地面研究取得了很好的结论,下一步是研究其在深空环境下的行为。这一材料将于4月13日(美国当地时间)下午4:33分,搭载美国太空探索技术公司(SpaceX)的‘猎鹰9(Falcon 9)’号重型火箭,从卡纳维拉尔角空军基地发射进入国际空间站。”

据悉,这一材料将在国际空间站美国国家实验室的零重力存储架上待90天,每隔三周,宇航员将会为其拍照,这些材料将于7月份回到地面,届时将同地面上同样的材料进行比较和测试,以进一步确定其性能。

拉斯穆森认为,这种合成材料能很好地伸展和收缩,或可被用做义肢衬套,使义肢更加舒适。她最近接受了费城儿童医院儿科医疗设备协会提供的资助来对此进行研究。


人类航天器2018年“亲密”接触太阳

NASA计划借此研究日冕辐射环境

经过长达4年多的准备和最终评估,美国国家航空航天局(NASA)已经确定,将于2018年7月31日,首次将新航天器送入太阳的上方大气层,在长达20天的时间里,航天器将实现有史以来与太阳最亲密的接触。

据悉,这个名为“太阳探测附加(SPP)”的新型航天器将携带四套设备进入日冕,对太阳风和太阳投掷到空间的带电粒子流进行深入细致的研究。新航天器的大小与一辆轿车相差无几。在接近太阳时,航天器表面的温度将高约1093摄氏度,航天器将到达距太阳表面约644万公里处,穿越其大气层。迄今,还未曾有其他航天器到达过距离太阳如此之近的地方,可帮助科学家们在未来太空探索中更好地理解、描绘并预测太阳的辐射环境。

火箭烧“煤”也能飞 多项新技术拉近人与太空的距离 科技世界网新航天器将搭载德尔塔4重型火箭,从卡纳维拉尔角空军基地发射,飞行时间为20天。在24次绕太阳轨道飞行的过程中,新航天器将7次掠过金星从而缩短与太阳的距离,最近的三次飞越与太阳的距离仅约612万公里。

科学家们一直希望能将航天器送入太阳的外部大气层(日冕),以便更好地了解和认识太阳风及其携带进入太阳系的物质究竟有哪些。“太阳探测附加”的首要科学探测目的是追踪能量的流动;厘清日冕温度高于太阳表面温度上百倍的原因;洞悉让太阳风和能量粒子加速的物理学机理。

“太阳探测附加”携带的设备将研究磁场、等离子体、带电粒子,并为太阳风拍照。航天器表面4.5英尺厚的碳复合热防护罩将保护其能经受高温和剧烈的辐射。

“太阳探测附加”任务是2010年9月由NASA提出的一项新计划。今年3月16日至20日,NASA一个独立的评估委员会在约翰•霍普金斯大学应用物理实验室召开会议,对该探测任务的所有方面进行了综合评估。结论认为,“太阳探测附加”航天器的设计处于先进水平,接下来,科学家们将逐一对与这一探测任务有关的各个零件的构建、组装、集成和测试进行评估。


精度更高 自主能力更强 体形更轻巧

多项新技术助“新北斗”迈向全球覆盖

2015年3月31日凌晨,中国第17颗北斗导航卫星在长征三号丙运载火箭、远征一号上面级的接力护送下,准确进入距地面3.6万公里的倾斜地球同步轨道,标志着中国北斗卫星导航系统建设迈出了区域运行到全球覆盖的第一步。

火箭烧“煤”也能飞 多项新技术拉近人与太空的距离 科技世界网这是中国首颗新一代北斗导航卫星,由中国科学院、上海市政府合作共建的上海微小卫星工程中心研制。卫星副总设计师沈学民介绍,该星采用全新导航卫星专用平台,集多项新技术于一身,将开展新型导航信号体制、星间链路等试验验证工作,为北斗卫星导航系统全球组网建设提供依据。

新一代北斗导航卫星具有更高的定位、授时精度,更强的自主能力,其体态也更加轻盈小巧。

“导航卫星的主要工作是把空间位置信号和时间基准信号发到地面供用户使用。”沈学民说,“这两种信号都是通过无线电传输,不同体制的无线电信号,能够对时间和位置的精度产生影响。”

他介绍,美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧洲的伽利略导航系统信号体制各不相同,并都在不断改进。随着北斗导航系统的发展,其信号体制也在不断改进完善。

在未来一段时期,新老北斗导航卫星将在太空中共同运行。沈学民说,针对这一过渡时期,研究人员在对信号体制进行更新的同时,重点考虑了不同版本的兼容性。新的信号体制既能兼容过去的版本,又能带来更高的性能。

“随着新信号体制、星间链路等技术的应用,北斗导航卫星的定位精度将进一步提升;凭借高性能铷钟等技术,其时间精度也将达到更高水平。”他说。

中国卫星导航系统管理办公室主任冉承其曾表示,新一代北斗导航卫星的定位精度将由此前的10米提升至2.5米左右。


星间链路助“北斗”实现自主

“前期的导航卫星之间没有导航通信链路,从这颗卫星开始,北斗导航卫星都将具备星间链路。”北斗卫星导航系统总设计师杨长风介绍说,通过星间链路,将实现北斗卫星全球系统自主导航。

通过星间链路可以将多颗卫星互联在一起,实现卫星之间的信息传输和交换。

火箭烧“煤”也能飞 多项新技术拉近人与太空的距离 科技世界网沈学民表示,目前各导航系统均依赖于地面站支持,如果在自然灾害、战争等情况下地面站被损毁,导航系统就会瘫痪。未来的北斗导航卫星将通过星间链路实现组网,可在一定程度上摆脱对地面的依赖。在失去地面支持的极端条件下,导航卫星能生存相当一段时间,用互相测距的方法进行定位;在常规状态下,星间链路还有助于提高定位精度,使北斗系统的精度达到与GPS相当的水平。

星间链路是未来导航卫星发展中的重点研究领域。沈学民说,中国在该领域的研究并不晚于发达国家。此次发射的北斗导航卫星,相比GPS甚至略为超前。他表示,当前中国将用新频段、新方法开展星间链路试验,从地面进行验证,随着后续北斗导航卫星的发射,还将验证其互联、组网等。

“此次发射的北斗导航卫星首次采用中科院研发的导航卫星专用平台。”沈学民说。

他表示,未来中国北斗导航卫星的发射将采取一箭双星甚至一箭多星方式,这对卫星的小型化、轻量化均提出了要求。为此新一代北斗导航卫星更换了全新平台,采用了框架面板式轻量化构型设计。“过去的北斗导航卫星重约1.6吨,而这颗卫星的重量只有其一半左右。”他说。

同时,该卫星还首次使用了多项技术。

沈学民说,在过去卫星上,能源、姿控、测控等系统分别由不同计算机管理。此次发射的卫星使用了高功能密度综合电子体系架构,可用一台计算机实现对所有电子系统的集中控制管理,不仅让卫星更轻更小,可靠性也得到了提升。该卫星还使用了长寿命的星敏感器,实现了与以往不同的定姿方式。

此外他介绍,该卫星大量采用国产化部件,尤其是铷钟、大功率微波放大器、CPU等关键部件均为国产,整星国产化率达到95%。“后续星的国产化率将达100%。”他说。