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适用于建造高级太空船的材料(图)

发布日期:2004年09月24日字体: 【大】【中】【小】

用于未来太空船的智能材料

  为了进行星际探险,所建造的太空飞船必须具备更加快速、轻便、便宜、可靠、耐用和万能等优点。

  建造这种飞船可能吗?很多人会提出这样的问题。在你回答这个问题之前,可以回顾一下历史。在200年前,如果一个人向一个农场主提出要购买一辆马车,这辆马车不仅能够连续跑几小时,每小时的速度可达100英里,而且还能运载他们全家和所有的行李,在烦闷的旅途中为他们唱美妙的歌曲。你可以想象这个农场主会怎样惊讶!他的表情可能与你向汽车推销员提出要求时一样。可是,今天这个梦想实现了,它就是现在的“小货车”。技术上的变革,使小汽车代替了马,过去认为不可能的事,现在实现了。因此今天看上去不可能的事情,在未来也许变得很平常。不久的将来,随着航天技术的发展,那种又快、又好、又便宜的太空交通工具是可能出现的。
    



  图1  这是未来先进的航天飞机,先进的材料是建造这些航天飞机的基础。

    当前发展最快的三项科学是生物工程、纳米技术和信息技术,它们为科学家的研究和新产品的生产提供了无限的创造力。在这个充满创造力的急流中,出现了一种令人惊讶的新型材料,它看上去好像更应该出现在科幻小说中,而不是出现在实验室的工作台上。

    可以想象一下,如果有一些材料,它们的密度是钢材的100倍,但重量只有钢材的六分之一;它们被划破后可以立刻自己愈合,并可以感受到施加在它们上面的压力;用这些材料生产的电线和电路只有分子大小。如果能够生产出这样一些材料,那该有多好呀!其实现在在我们的生活中已经可以找到具有上述特性的材料,更多的新材料还在研制中。例如,采用纳米技术,现在已经能够制造重量小于1kg的卫星,如蚊蝇大小的侦察机。

    由于已经开发出这样高智能的材料,建造性能更好的太空船似乎是指日可待了。

  重量等于金钱

    要建造下一代航天飞机将面临很多挑战,当然最重要的问题是飞机的成本。现在的航天飞机虽然与飞船相比,有一些优点,但是发射一次的成本还是很高的,它不符合日益发展的太空探险的要求。研制的时间也是问题之一,正如美国宇航局第二个十年计划航天技术改造负责人奈维尔·马滋维尔博士所说:“即使所有的技术难题今天都已经解决,探索太阳系变成现实还需要一个过程。”

    要降低太空飞行的成本,最主要是降低太空船重量。航天器多重一磅,就需要更大的动力将这一磅的重量推离地球引力,其代价是很大的。轻型太空船可以有更小,更有效的发动机,消耗的燃料更少。也就是说,减少飞船的重量,可以降低发射的成本,使它有更大的发展余地。因此,在研制太空船时,当太空船的安全性、可靠性和功能提高时,我们面临的挑战是如何降低太空船的重量。要做到这一点,仅仅靠减少飞船中的零件是不起作用的。
    


  图2:这个满载的土星5号月球火箭重620万磅,因此发射它的经费也非常高。

  科学家们正在探索一种新的技术,它可以使航天飞机变得更加“苗条”。例如有一种像蛛丝一样的材料(是一种超薄的薄膜),可能用于制作天线或光电线路板,以取代现在正在使用的大而重的部件,甚至可以用于建造提供飞船能量的太阳能帆板,使它每平米只有4-6克重。

  一些合成材料,例如像用于碳化纤维网火箭和高尔夫球棒的合成材料,目前已经在保证安全性的条件下,广泛用于宇宙飞船的设计,它可降低飞船重量,但不降低其强度。一种被称为“碳纳米管”的新型碳材料发展很快,最好的合成材料的强度仅是钢材的3到4倍,而碳纳米管则是钢材的600倍。

  兰利研究中心(美国著名的结构和材料研究中心)的主任、科学家丹尼斯·布希纳尔解释说:“这个不同寻常的强度来自碳纳米管的分子结构,它们看上去有点像鸡肉卷进了一个四周是碳原子的六角型圆柱”。典型的碳纳米管大约有1.2-1.4纳米(1纳米只有一米的十亿分之一),仅是碳原子半径的十倍。
    


  图3: 在一个碳纳米管中,碳原子的格子像一个悬挂着的钉板。其他的原子和分子赋予纳米管特殊的化学、电子或热特性。  
    


  图4.碳纳米管的可拉长强度已经远远超过其他高强度的材料。四个图柱(由左到右)分别代表碳纳米管,石墨纤维,芳香尼龙纤维B和不锈钢。注意垂直轴是它们的强度。图中的每一增量是10的乘方。
 
  1991年纳米管才被发现,随后就引起科学界的极大兴趣,纷纷对它进行研制和应用。就在两三年以前,制成的最大纳米管大约是1微米。现在科学家已经能够生产出2亿纳米长(20厘米)的纳米管。布希纳尔说目前在世界各地至少有56个实验室正在大量生产这些小电子管。

  布希纳尔说“由于技术上已经取得巨大发展,所以大量使用纳米管作为材料将成为可能。我们没有搞清楚在一批材料中,这个是钢材强度600倍的材料将值多少钱。无论如何,纳米管是我们最大的筹码。”

  美国宇航局第二个十年计划航天技术改造负责人马滋微尔解释说“我们通常建造的是一些呆板、缺乏生气的东西,例如传感器、处理器和工具。现在我们不需要这些东西,我们需要的是具有完整结构的系统,它本身具有智能部分。”

  设想一下如果一个太空船自己有贮存能量的能力,不需要笨重的电池;或者它的表面不需要另加作用力就可以自动弯曲;或者电路可以直接接到航天飞机内部。当太空船使用的材料可以按照分子等级来设计时,就可能实现上述的整体结构。

  太空船的外壳

  人可以感受到他们身体任何部位的刺激,甚至最轻微的刺痛也可以引起人体的反应。这是一种令人惊奇的自我监控系统——可能是因为你的肌肤里有数百万的、用显微镜才能观察到的神经末梢,它们能将这些信号传递给大脑。

  同样的,制造太空船应急系统的材料里,也可以装入纳米大小的传感器,这些传感器持续不断地监视材料的状况。如果某个部件出现故障——也就是它感觉到不妙时,这些传感器就会在事故发生前通知中央电脑。
    


  图5:这个由美国宇航局兰利研究中心研制的压电材料,它可以“感觉”到材料的变形,例如,在它弯曲或承受表面压力时,它就有反应,产生一个微弱的电压,作为一个信号传给中央电脑。

  分子电线可以将所有这些内部传感器传出的信号发送到中央电脑,而不需要使用数百万条电线来传递信号。纳米管可以担当这个角色,纳米管可以很方便的处于主导地位或是半主导地位,这取决于它们的构成。科学家们已经研制出其他的可伸长的分子电线,它们中的一部分自然而然的组装成有用的结构。

  人的皮肤可以自行愈合,有些性能先进的材料也可以做到这一点。能自行愈合的材料由被称为“离聚物”的长链分子构成,当像子弹这样的物体靠近它时,它就会有反应。太空船可以采用这样的“皮肤”,因为太空中到处都是从彗星和小行星发出的快速移动的像小子弹一样的碎片。一旦这些鹅卵石大小沙砾中的一个击穿太空船的盔甲,太空船就会出现危险。如果太空船的盔甲上有一层能够自己愈合的材料,就可以保证船舱万无一失。

  流星体不是唯一的威胁,太空中还充满了辐射。在低地球轨道上运行的飞行器,受到地球磁场充分的保护,这个磁场形成以地球为中心50,000公里宽的安全带。但是,如果飞船飞行的高度超过这个范围,太阳光和宇宙射线对太空旅行者就会构成威胁。
    


  图6:一个太阳耀斑的电能辐射进入太空。
          
  科学家们依然在寻找一个更好的解决办法,诀窍是在不增加过多太空船重量的情况下提供足够的保护。一些轻型防辐射材料正在国际太空站所做的被称为“MISSE”的一个实验中进行测试,但这些仍然不够。

  真正可怕的是遥远超新星爆炸所放射出的银河系宇宙射线,它的组成成分中有一部分是很重的正离子,如铁核子,它的运行速度非常快。这个高质量和高速运动的正离子,使那些小原子“加农炮弹”具有很大的破坏力。当它们穿透人体的细胞,就能够破坏DNA,导致疾病甚至是癌症。

  布希纳尔说“事实证明最不适合作为抵御银河系宇宙射线的防护材料是金属。但当一个银河系宇宙射线击中一个金属原子时,它就能击碎它的原子核——这个过程和发生核裂变相类似。这些碰撞产生的第二波射线,它的危害作用可能比金属的保护作用还大。

  具有讽刺性的是,像氢和氦这样重量轻的元素,反而是抵御可怕的银河系宇宙射线的最好的武器,因为它们之间的碰撞产生的第二次辐射作用很小。有的人建议在太空船的居住舱四周包一层罐装液态氢。根据布希纳尔的说法,一层50-100厘米厚的液态氢将提供足够的防护。但是装液体氢的罐和维持其低温的系统却很笨重。如果使用纳米管可能比较合适。一格的碳纳米管在温度不是非常低的情况下就能贮藏高浓度的液态氢。所以如果我们未来的太空船采用纳米管作为超轻型构造材料的话,是否这些装满液态氢的管道就能起到屏蔽射线的作用?科学家们认为是可能的。更进一步讲,多层的这种结构材料可以有效地过滤其他种类的射线:例如,硼和锂可以过滤中子,铝吸收电子等。
    


  图7:当高能量的宇宙射线闯入航天员的DNA中,它能破坏DNA导致癌症或其它放射性疾病。

  在宇宙中野营

  地球表面能最有效地防御宇宙射线,其他星球就没有那么幸运了。例如,火星就没有很强的球形磁场使射线粒子偏转,并且它的大气层厚度仅是地球的一百四十分之一,这两点不同使到达火星表面的射线强度相当于没有保护设备的飞船在太空所受到的辐射的三分之一,未来的火星探测器需要有防辐射的保护层。
    


  图8:航天员在火星上安营扎寨时需要有防止宇宙辐射的设施。

  在美国兰利研究中心专门从事防辐射研究的科学家Sheila Thibeault说:“由于我们必须考虑重量问题,故长时间太空飞行不允许带上太多的材料。所以我们现在正在进行如何在所到达的星球上制造防辐射保护层的研究。”

  Thibeault解释说,“一种有可能的解决方法是‘太空砖’,航天员可以选取火星上可以利用的材料来制造防护屏。”例如他们可能将红色星球表面丰富的二氧化碳和水聚合成沙砾状的风化层,铺在火星表面。用微波冲击这些混合物,可以制成塑料样的砖形物,它的防辐射性能是防辐射屏蔽的两倍。

  她解释说,“使用微波,我们能够在几乎不消耗能量或使用设备的情况下迅速制造这些‘砖头’。我们使用的这种聚合体将增强风化层的防辐射特性。”

  火星的掩敝处需要有可靠的自感材料,耐用的自修复材料和多功能的轻型材料。换句话讲,在火星上建造房屋和建造功能良好的太空船在很多方面是相同的,研究人员正在研究所有这些材料。(必威登录平台网/唐承革 沈羡云译)
    

图9:采用智能材料,未来的飞机将无须操作机翼就能自动拐弯,这样就减少拉力和降低油耗。
  





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本文编辑:闫秋

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