突破性的低温冷却器使载人火星任务成为可能

游戏天地 2025年07月24日 00:12 1 admin

美国宇航局测试了一种超级冰箱，它可能是未来载人火星任务的关键。如果没有这种新型低温冷却器，前往火星的飞船抵达火星时燃料箱就会空空如也。

认真设计一次将宇航员送上火星的探险计划的想法已经酝酿了70多年，如今在某些领域也得到了非常认真的对待。然而，正如人们所说，细节决定成败。

设计一艘前往火星的飞行器，包括它的发动机、生命支持系统、传感器、导航仪器等等，是一回事，但这一切的核心是如何获取动力，将其从地球推到火星，然后再返回地球。如果使用化学火箭，那么问题就简化为使用哪种燃料来提供推力。

正在安装低温罐进行测试美国宇航局/凯西·亨克尔

对于大多数深空任务来说，一旦任务开始，推力就不是什么大问题了。速度的巨大变化是由将探测器送离地球的助推器提供的，之后就只是简单的弹道问题了。对于航向修正和其他细微的轨迹变化，可以使用由相对稳定的液体和气体驱动的小型推进器。即使是近年来使用更频繁的离子推进器，也使用氙气等无需太多维护的推进剂。

这样做的目的是，机器人探测器重量相对较轻，可能需要数年甚至数十年才能到达目的地，因此推力和速度并非关键因素。然而，就人类而言，任务时间必须尽可能短，并且飞船质量必须足够大，以保证机组人员的生存和健康。

这意味着要使用尽可能高效的燃料，也意味着要用大型储罐装满液氢、液氧或液甲烷。问题在于，这些都是低温液体，液氢沸点为-252.9°C（-423.2°F），液氧沸点为-183°C（-297.4°F），液甲烷沸点为-161.6°C（-258.9°F）。这也意味着，即使在冰冷的太空中，这些低温燃料也难以停留在原地。它们会在储罐内沸腾，而且确实会沸腾，因此必须打开储罐的通风口，让气体逸出，防止储罐爆炸。

低温罐安装在真空室装置中

对于停在发射台上的火箭或持续时间不到一周的任务来说，这或许没什么问题，但对于持续两年以上的火星任务来说，这可是个大问题。如果我们计算一下，结果会令人沮丧不已。如果火星飞船有一个大型、隔热性能较差的储罐，里面装有38吨液氢，那么据估计，被动蒸发每年将消耗约16吨液氢。

换句话说，火星任务中宇航员到达目的地后将没有返回家园所需的燃料。厚厚的隔热层可以减少损耗，但损耗仍然高得令人无法接受。因此，NASA 正在开展低温流体管理组合项目，该项目旨在开发一套先进的隔热和主动冷却系统，力求在数月甚至数年内实现零蒸发，并改进低温燃料无损耗处理系统。

新系统主动冷却低温推进剂

在位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心，工程师们在试验台上安装了一套所谓的两级冷却系统，进行了为期三个月的试验。该系统也被称为“管罐式”冷却系统，由两个嵌入厚金属绝缘层的冷却回路和一个隔热罩组成。

在主冷却回路中，充满冷却至-253°C（-424°F）的液氦的管道环绕低温推进剂储罐，直接冷却储罐及其内容物。在其上方是多层绝缘层，第二个回路则装有温度稍高一些的氦气，温度为-183°C（-298°F），位于覆盖整个组件的隔热罩后方。该回路将所有进入的热量拦截并阻隔，防止其进一步渗透。

最终，只要低温制冷机有电运行，该系统就能无限期地保持推进剂过冷。这不仅意味着避免了到达火星却无人接送的尴尬，还能避免不必要的燃料过剩，并规划更持久的任务。

NASA低温流体管理组合项目代理经理凯西·亨克尔表示：“为了成功执行像月球和火星这样的长期深空任务，必须实施减少推进剂损失的技术。两级冷却技术可以防止推进剂损失，并成功地实现推进剂在运输过程中或行星表面的长期储存。”

资料来源：NASA

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