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第403章:捕获方案敲定,紧锣密鼓推进

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  就在MR-1型机器人紧张研发的同时,另一个同样关键的战线,核聚变发动机也在全力推进。

  可控核聚变,这个被物理学家追寻了半个多世纪的梦想,在危机倒逼下开始加速向现实迈进。

  3月初,陆安带着一支核心团队,来到了位于泸州的“聚变堆主机关键系统综合研究设施”。

  这是国家“十三五”重大科技基础设施,也是目前世界上规模最大的聚变研究基地。

  接待他们的是一位瘦削的科学家,核聚变领域的顶尖专家,已经在托卡马克装置上深耕了二十五年。

  他的眼睛布满血丝,过去三年来,他几乎没有睡过一个完整觉。

  “陆安同志,你要的东西,我们有了初步方案。”陈院士带着他们走进一座巨大的厂房。

  厂房中间矗立着一个钢铁与超导磁体构成的庞然大物。

  那是正在建设中的“东方超环”升级版,但此刻所有人的目光,都聚焦在旁边的陈列区。

  那里,放着一个环形装置,通体银白色,表面密布着各种管道和传感器接口。

  “这就是‘祝融-1’的全尺寸模型。”陈院士的声音里带着难以掩饰的骄傲。

  陆安绕着它走了一圈。

  环形结构,看起来像一个缩小版的托卡马克。

  但更加紧凑,没有外围庞大的变压器和加热系统。

  “解释一下原理。”陆安言简意赅。

  陈院士调出一块显示屏,上面是复杂的磁场线图和等离子体模拟。

  “它采用D-³He聚变反应。”陈院士开始讲解,语气里透着学者的严谨:“氘和氦-3在数亿摄氏度的高温下发生聚变,生成氦-4和1个质子,同时释放出巨大的能量。”

  “这个反应的最大优势是,产物都是带电粒子,可以直接喷出产生推力,同时辐射极少,不需要厚重的辐射屏蔽,大大降低了发动机质量。”

  他指着模型的核心区域:“这是一个‘磁镜’构型的聚变装置,我们用一个特殊的磁场形态,把高温等离子体约束在一个长管状的空间里。”

  “两端磁场较强,中间较弱,等离子体在两端被‘反射’回来,像两面镜子之间的光。这种构型比托卡马克简单,适合作为推进器。”

  陆安:“怎么点火和维持?”

  “我们用中性束注入和射频波加热。先注入少量燃料,用电磁波加热到聚变温度,产生最初的聚变反应。”

  “反应释放的高能带电粒子会继续加热周围的等离子体,形成自持燃烧。然后持续注入新的燃料,排出反应产物,维持稳定运行。”

  陆安:“推力怎么产生?”

  陈院士指着装置的一端:“这里是‘磁喷管’,我们从这一端泄漏少量等离子体,用特殊的磁场形态引导它们高速喷出。喷出的速度可以达到每秒1万公里,是化学火箭的几千倍,这就是我们需要的推力。”

  他调出一组数据:“理论计算表明,这样一台‘祝融-1’发动机推力可以达到5千牛,比冲8万秒,工作一年,消耗的氦-3只有约3吨。”

  陆安快速心算:5千牛推力,一年工作产生的总冲量约1.5×10^8牛·秒。对目标小行星而言,产生的速度改变约0.0015公里/秒。

  和需要的0.73公里/秒相比,差得太远。

  “所以我们需要很多台。”陈院士显然已经计算过,他说道:“按这个指标,需要2000台同时工作一年,才能达到所需的Δv。”

  “2000台。”陆安沉吟,“每台质量多少?”

  “初步设计约150吨,其中聚变堆芯占60吨,磁体占40吨,辐射屏蔽和结构占30吨,推进剂储罐和管路占20吨。”

  2000台就是30万吨。

  这么大的体量,只能在月球上制造。

  在太空电梯搞出来之前,从地球表面运30万吨的物资到太空根本不现实。

  更何况,实际整个天体捕获工程所需要的载荷还不止这个数。

  陆安绕着模型又走了一圈,目光在每个部件上停留。

  “目前的最关键的技术难点在哪?”

  “三点。”陈院士竖起手指,“第一,超导磁体。约束等离子体需要极强的磁场,常规磁体根本做不到。我们用的是高温超导带材稀土钡铜氧化物,需要在液氮温度下工作。这种材料不计成本倒也能量产,要在月球上制造,需要建立完整的超导材料生产线。”

  “第二,氦-3燃料。地球上氦-3极其稀有,总共只有几百公斤。但月球上储量丰富,太阳风几十亿年吹来的氦-3被月壤吸附,估计总量在100万吨以上,须在月球上提炼氦-3,这是整个工程的核心任务之一。”

  “第三,等离子体约束的稳定性。磁镜构型有个老问题,等离子体可能从两端泄漏太快。我们采用了最新的‘串联磁镜’方案,在两端加装额外的‘塞子’磁场,已经在小规模实验上验证了可行性。但要放大到兆瓦级功率,还需要更多实验。”

  陆安点点头。

  这些困难每一个都足以让一个常规科研项目花费十年。

  但现在,他们没有十年。

  “建议同步推进,我这边尽量抽时间支援你们。”陆安说道:“你这边继续完善发动机设计,同时开始考虑如何把生产线搬到月球。我们这边……”

  他转向身边随同而来的付晨,“元界智控会为月球工厂定制机器人。”

  “那氦-3提炼呢?”陈院士问。

  “已经在规划了。”陆安从付晨手里接过一份文件递给他,“月壤中氦-3的浓度只有十亿分之几到百亿分之几,确实很低。但提炼工艺并不复杂,加热月壤到800度以上,氦-3就会释放出来。”

  陈院士说道:“关键是处理量,要满足2000台发动机的燃料需求,需要处理数亿吨月壤。”

  陆安顿了顿:“这正是机器人的强项,让机器人在月球上开采、筛选、加热、收集,规模上去了,浓度就不是问题。”

  陈院士若有所思地点头。

  在此地了解过聚变科技的进度后,陆安心中有了个大概。

  不久之后,他便离开此地。

  ……

  离开后,陆安又到了另一个同样庞大的设计——超级光帆。

  如果说“祝融”发动机是主动力,那么光帆就是辅助刹车。

  两者结合,才能以最小的燃料代价实现轨道捕获。

  负责主导超级光帆任务的是一位女科学家,名叫赵曼君,去年从殴洲回国,曾在德蝈马普学会研究太阳帆技术多年。

  陆安直接点了她的将,让她来负责这一块。

  赵曼君的办公室堆满了各种薄膜材料样本和力学模型,墙上贴着一张巨大的轨道图,标注着“蒙特摩洛斯”未来十几年的运行轨迹。

  太阳帆的原理其实很简单。

  太阳光虽然没有质量,但有动量。

  光子撞到帆面上,会把自己的动量传递给帆面,产生微小的推力。

  在地球轨道上,每平方米帆面受到的推力只有9微牛,相当于一枚硬币重量的十万分之一。

  此刻,她拿起一小片薄膜样本示意陆安:“这是聚酰亚胺薄膜,厚度只有几微米,是目前太阳帆常用的材料。但我们的要求要高得多,我们需要1000平方公里的帆面,这是目前最大太阳帆的几万倍。”

  1000平方公里,那是14万个足球场的面积。

  帆面面积确实需要这么大,因为太阳光压太小,要产生足够大的总推力,只能靠面积堆砌。

  设计的目标是,当小行星在2035年前后接近太阳,距离约1.5亿公里时,光帆持续作用一年,累积效应下的推力是非常可观的。

  关键是这个推力是免费的,而且可以和发动机同时工作,相当于多出20%的刹车能力。

  帆面材料是关键技术,传统聚酰亚胺强度不够,支撑不了1000平方公里的结构。

  解决方案是用月壤拉制的超细纤维复合膜,把月壤熔融后拉成直径几十微米的纤维,再编织成薄膜。

  这样材料可以就地获取,不需要从地球运输。

  国内目前已经做出来了。

  月壤的主要成分是硅酸盐,加入少量添加剂后,可以熔融拉制成纤维。

  这些纤维的强度不亚于玻璃纤维,而且耐高温、抗辐射。

  把它们编织成薄膜,再涂覆一层反射层,就是理想的帆面材料。

  赵曼君调出一段实验视频,一台小型的拉丝机正在运转,从喷嘴中流出的熔融物质被高速牵引,形成一根细长的丝线,缠绕在卷筒上。

  “这是实验室规模的,到了月球上,我们需要建大型拉丝厂,年产几百吨纤维。”

  末了,陆安沉吟片刻,询问道:“帆面面积1000平方公里,质量多少?”

  “约5000吨。”赵曼君调出估算表,“帆面本身厚度只有几微米,每平方米质量约5克,1000平方公里就是5000吨。支撑结构需要碳纤维骨架,约2.5万吨。加上部署机构、控制单元等,总质量约3万吨。”

  “3万吨。”陆安心算,自顾自地说:“从月球发射需要几十次任务,和发动机相比,还算可以接受。”

  “关键问题是展开。”赵曼君切换到另一张图,“1000平方公里的帆面,即使折叠到最密,体积也有几十个集装箱。我们必须在太空中展开它,而且是在小行星附近。”

  陆安看着图上的方案,那是一系列复杂的步骤。

  发射阶段:帆面折叠成极小的体积,封装在保护壳内,与支撑结构、部署机器人一起发射到小行星附近。

  交会对接:运载器与“蒙特摩洛斯”交会,将整个帆面模块释放到小行星表面附近。

  锚定:机器人首先将“系绳锚点”固定在星体表面,这是一种类似鱼叉的装置,锚定在小行星内部,提供牢固的连接点。

  初步展开:从锚点引出数条高强度绳索,连接到帆面模块。机器人控制这些绳索,慢慢将模块拉离表面。

  离心展开:利用小行星的自转产生的离心力,让绳索逐渐伸长,帆面模块被甩到远处。同时,帆面开始从边缘向中心逐步展开,就像降落伞从顶部打开。

  姿态调整:全部展开后,机器人控制帆面的姿态,使其始终垂直于太阳光线方向,最大化推力。

  稳定运行:光帆进入工作状态,持续产生推力,期间可能需要定期微调姿态,补偿轨道扰动。

  “这个方案是借鉴了2016年发表在《深空探测学报》上的一篇论文。”赵曼君说道:“那篇论文提出了用太阳帆绳系系统减缓小行星自转的方法,我们把它扩展了,不仅要减缓自转,还要利用自转来展开帆面。”

  陆安询问:“风险点在哪?”

  “三个。”赵曼君直言不讳,“第一,系绳可能被小行星表面尖锐的岩石割断。解决方案是绳索用超高分子量聚乙烯纤维,强度是钢铁的15倍以上,且表面覆盖保护层。”

  “第二,帆面展开过程中可能撕裂或缠绕。解决方案是多次地面实验,优化折叠方式,加装实时监测和纠偏系统。”

  “第三,小行星自转太快或太慢。太快的话离心力过大,可能撕裂结构;太慢的话无法展开。解决方案是根据实测数据调整方案,必要时先用发动机减速自转。”

  陆安点了点头。

  这些问题都有解,虽然解的过程可能很艰难。

  “继续推进。”陆安沉声说道:“下一个目标是在年底前完成光帆的初步工程设计,拿出可以建造的图纸。”

  这些事情陆安其实也能做,但他要负责的事情太多了。

  好在有足够的人才,陆安需要什么人才,国家都是想方设法地提供。

  ……

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