航天工程是人类迄今为止,最“烧钱”的一个领域,有专业人士称,中国天宫空间站上的每一克重量,都价值半两黄金。
天宫空间站结构
在此前提下,为何我国空间站的天和核心舱却要装载6个铁球?而且每个铁球都重达1吨,这难道不会增加建造成本吗?
高成本、高收益在回答这些问题之前,我们必须要了解,航天领域为什么这么“烧钱”。
航天领域的成本主要在两点,它们分别是建造航天器的材料和燃料。
航天器的材料自然不必多说,它采用的是人类最为坚固的合金材料,每一块都经过百般打磨、压缩而成,密度之高,是普通材质不能企及的。
想要建造出火箭发射器、探测器、航天飞船这样的庞然大物,预算必须非常高。
有数据显示,光是一枚运载火箭的建造成本就在1亿到1.5亿美元之间,算上搭载的航天器,成本恐怕会翻上一倍。
各类运载火箭
而航天领域的燃料,更是一个烧钱的存在。
第一代火箭采用的是传统的导弹燃料,但是这种燃料产生能量的效率低,每次发射都需要携带大量的原材料,不利于长期发展。
经过技术的不断改进,火箭的燃料又被替换为甲肼、煤油等等,但是它们都有一个缺点,那就是对环境的污染太大。
在提倡环境保护的今天,人们有开发出了液态氢为燃料,发射的过程当中,只需要将液态氢中的氢气通过电解的方式分离,变成燃料,就能达到理想的效果,而且对环境没有危害。
液态氢的产生及运输
不过,就算是火箭的燃料经历的几代的剧变,仍旧无法改变成本高的事实。
一般来讲,火箭发射器的重量当中,燃料就占据了90%以上。
因为想要冲出地球,需要一个庞大的加速度过程,期间所消耗的能量非常大。
火箭发射
如今的我们无法获取更加优质的能量来源,只能依靠巨量的燃料,来达到这种效果。
根据地球的引力和动能定律的运算方式,再加上传统燃料完全燃烧释放的热量进行对比,火箭在发射冲出地球所需要的原料为5吨。
其中,液态氢完全反应之后,可以产生大约等于350的比冲量,比传统燃料的效率更高,是未来主流的原料。
传统火箭的燃料成本在每升1200元左右,如今液态氢技术还未完全成熟,成本仍旧居高不下,可见燃料在航天领域当中有多“烧钱”。
火箭燃料装填
天宫空间站每一克就价值半两黄金,也并不是夸张的说法。
在成本如此吃紧的情况下,还要将吨位的大铁球送上太空,足以见得铁球的重要性。
铁球的重要性这个铁球有自己的名称,它在科学界被称为控制力矩陀螺,表面上是铁球,实际上是个陀螺。
控制力矩陀螺内部装有可以高速转动的仪器,用于调节陀螺装载处的力平衡。
而6个控制力矩陀螺的存在,正是用于调节空间站力的方向。
控制力矩陀螺
我们都知道,一切物体进入太空之后,由于无重力环境的影响,会在地球轨道附近做无规则的运动。
但是,空间站偶尔要遇到对接其他火箭舱的情况,就必须要控制空间站的方向,达到精准对接的目的。
对此,控制力矩陀螺就发挥着不可替代的作用。
并且,对于空间站而言,它在太空当中不能一直不动,因为没有经历大气削弱的太阳辐射强度非常惊人,可以使得空间站朝阳面的温度升至200摄氏度以上。
太阳的威力不可小觑
背阳面由于没有接收到热量,温度又低至零下200摄氏度,在两面受热不均匀的情况下,很容易对材料造成不可逆转的伤害。
就像炒菜一样,必须要反复翻炒,锅中的菜品才不会糊。
而太空重力的无序性,使得其中的变量不可控,有时候十天半个月都难以翻面,此时,就需要控制力矩陀螺来调节。
对比优势考虑到调节的问题,国际空间站一开始是没有使用控制力矩陀螺的。
国际空间站结构
他们依靠反动力推动系统,用大量的燃料产生一种反方向的力,来调节空间站的方向。
但是他们很快发现,空间站需要的调节量很大,反动力推动系统对燃料的消耗高得惊人。
数据显示,国际空间站每年在燃料方面的投入都超过了10亿美元,随着需求的增加,这个数值还在增长。
为了减少各国的财政负担,他们合伙投资,建造了控制力矩陀螺。
可以说,这6个大铁球不仅不烧钱,还是省钱的法宝,让许多发达国家羡慕不已。
大铁球很重要
当然,拥有核心技术的国家并不多,即使一些国家想要安装,也无从下手。
发展趋势很多小伙伴可能会担心,如今的技术更迭太快了,控制力矩陀螺会不会在不久的将来失去它的价值。
这一点完全不用担心,不论是从应用前景还是从技术发展的角度,控制力矩陀螺在短期内都是不可能被淘汰的。
从应用前景来讲,随着人类航天领域的进步,越来越多的国家发射各种航天设备,也在地球轨道附近产生了大量的太空垃圾。
这些太空垃圾的危害很大,拳头大小的铁片就能对空间站造成严重的损伤。
迅速增多的太空垃圾
对此,需要控制力矩陀螺来调节空间站的轨道,躲避那些太空垃圾。
垃圾越多,对控制力矩陀螺调节的需求也就越大,它的使用频率只会越来越高。
不可否认的是,未来会有新的技术替代控制力矩陀螺,但是人类目前连替代技术的眉目都没有,所以短期内是不可能实现的。
从技术发展的前景来讲,控制力矩陀螺目前还处于“初生”阶段,很多具有实用性的功能还有待开发。
比如,控制力矩陀螺可不可以用于航天设备的推动上?
期待控制力矩陀螺的发展
理论上来讲,如果控制力矩陀螺的技术足够完善,它推动下的航天设备可以达到第三宇宙速度。
很多小伙伴可能有疑惑,它产生的力真的能达到这种理想状态吗?
要知道在真空当中,不用考虑重力、摩擦力等因素,即使一点点的力也能被无限放大。
因此,控制力矩陀螺不需要产生多大的推力,就能让航天器快速飞行,相当便利。
如此一来,岂不是能够为人类节省下更多的燃料?同时能让飞船飞得更远?
目前,科学家正在朝着这个方向发展,相信很快就能取得突破性进展。
控制力矩陀螺
总的来看,控制力矩陀螺不仅不会被时代所淘汰,在未来还有可能成为航天领域的主流。
不仅是控制力矩陀螺,就连空间站的发展,也是人类未来的走向。
如今,国际空间站已经老化,美国决定让它在2030年坠入太平洋退役,而俄罗斯已经计划建造属于自己的空间站。
国际空间站
在独立自主的空间站方面,我国在世界上遥遥领先。
省流:动量轮
瞎科普,控制力矩陀螺是用来不点火状态下调整姿态的,无法提供加速。空间站本身的第一宇宙速度还是火箭发射时给的,靠陀螺就想达到第三宇宙速度,那都不是黑科技了,那是外星异次元科技。我国的空间站处于近地低轨,受地球引力影响较大,还要定期点火补偿速度。
能否将某些必要的部件做成陀螺的形式,例如电池、某些电子元件等。
只需要将液态氢中的氢气通过电解的方式分离[鼓掌]液态水吧
到那里干什么去了
重力平衡。
用粒子推进器控制方向不行么 粒子推进器只耗电