大国院士 - 第548章 解决真空散热难题的方法

    第548章 解决真空散热难题的方法
    跟着翁筠宗，两人来到了一间会议室。
    宽大的荧幕落下，一份有关于设计图投映在了上面。
    这就是航天研究所在电磁推进系统上弄出来的‘空天发动机’的设计图了。
    徐川从翁筠宗手中接过操控笔，认真的翻阅着荧幕上的设计图。
    一张张的图片从眼眸中划过，从设计图上来看，航天研究所设计出来的空天发动机，很像是一个‘屮’字。
    中间的狭长管道，是应用了改进型超导体材料而制造的电磁加速场和压缩气体室两部分构成，形状像一个没有尖尖的圆锥连接了一个狭长的圆柱。
    狭长的加速场由内磁线圈、磁极、放电室、推进剂输送管、阴阳气体分配室等结构构成。
    其主要目的就是将压缩气体室吸收的空气工质电解成等离子体后，经过强磁螺旋加速场提升速度，进而给发动机提供庞大的推力。
    而压缩气体室则处于狭长圆柱的最顶部，通过特殊的吸收装置能将空气大量吸纳，并进行提供，排除掉空气中的其他悬浮物、灰尘等杂质，向加速场提供纯净的空气工质。
    这两部分是屮字的中间区域，在设计上它一直贯穿航天飞机的机身，从机头部分到机尾，为航天飞机提供主动力。
    而另外的两个短一些的管道，则是部署在航天飞机机翼部分的小型推进装置，它类似于主发动机，但起到的主动是进行辅助动力调节，转向等方面的工作。
    从设计图纸上来看，航天研究院的研究人员已经考虑到方方面面的工作。
    当然，这一份放出来的设计图，并不是全部的细节，也不可能是全部的细节图。
    毕竟一台航天发动机的设计图，不可能只有这么寥寥几十张，再加两个零都不够。
    早期的航天航空发动机设计图，那可真的是用卡车拉图纸的，其他的不说，光是f22/f35上使用的f119发动机，其零部件多达数万个，足以见得航天发动机的复杂程度，根本就不是普通的企业，甚至是国家能够玩得转的东西。
    事实上，全世界各国有能力独立自行设计航天航空发动机的国家，加起来恐怕也就两位数出头。
    简单而又认真的翻阅了一下空天发动机的设计图，徐川饶有兴趣的思索了一下，抬头看向翁筠宗，开口道：
    “对于航天发动机的细节和设计我不是很懂，不过我有几个问题想问一下。”
    “徐院士您说。”
    “第一个问题是磁场的屏蔽问题你们考虑了吗？”思忖了一下，徐川开口问道：“在这款空天发动机的运行过程中，无论是改进型超导体还是相关的永磁结构，都会产生极为庞大的磁场，这会对航天飞机上的一些精密仪器和很多相关设备，以及人员都产生影响的。”
    “尤其是从设计图来看，你们设计的这款发动机，其体型差不多足以覆盖占据整个航天发动机的底层，这样一来，它的影响将更大。”
    翁筠宗点了点头，开口回道：“考虑了的。”
    顿了顿，他接着道：“关于空天发动机的磁场屏蔽，主要通过磁屏蔽层和金属屏蔽效率两种方式来进行。”
    “在空天发动机的设计中，整个发动机系统处于航天飞机的底层，它将与中层的小型化可控核聚变反应堆及燃料室、上层的人员承载空间进行分离，分离层将使用极高效率的屏蔽材料制成保护罩，从而避免互相之间的影响。”
    “虽说这样一来会增加不少航天飞机的自重，但目前来说也没有其他的办法能完美的解决磁场的影响了。”
    “毕竟您也很清楚，改进型超导体材料形成的磁场到底有多强大。”
    徐川点了点头，道：“嗯，那这些屏蔽磁场和航天飞机本身的散热呢？热辐射的手段够用吗？”
    听到这个问题，一般的人大概会觉得在外太空散热还不简单么？外面就是零下两百七十度的真空，在这么寒冷的条件下，散热不是轻而易举的事情吗？
    但事实上还真不是。
    初中的课本告诉了我们，热传递方式主要是热传导、热对流和热辐射这三种。
    这三种传热方式相比，通常热传导以及热对流的传热效率较高，而热辐射效率较低，散热过程更为缓慢。
    比如日常生活中使用的双层的真空保温杯，或者说热水瓶，在装入热水时，相当于切断了热水通过热传导进行散热（当然实际情况还是无法做到完全隔绝），因此保温时间变得很长。
    而太空在正常情况下可以看做真空环境，这种环境下没有空气、泥土、水等这些常规物质作为导体，就无法通过热传导和热对流与外界交换能量，只能通过热辐射这种手段。
    但偏偏热辐射散热的速度很慢，效率很低。
    而磁场和屏蔽材料进行相互作用，以及航天飞机在运行的的时候，是会产生大量热量的，这些热量如果不传递出去，会极大的影响航天飞机的安全。
    因此散热是航天飞机中的重大问题。
    听到这个常规性质的问题，翁筠宗也没多想，只当这位可能不太了解航天方面东西，点了点头他开口道：
    “散热方面东西这些是航天必须考虑的，而考虑到的热辐射散热的速度较慢，航天飞机中又有大量设备运行不断地产生热量等问题，目前的做法是通过增加大量的散热片向外辐射能量从而对设备进行降温。”
    “与此同时，参考空间站和米国那边航天飞机的配置，通过冷却剂循环系统对热量进行转移。”
    徐川摇了摇头，开口道：“常规的热辐射散热方式，我想恐怕很难解决掉磁场屏蔽层+航天飞机本身的热量传递散发问题。”
    “如果说常规的空间站与航天飞机的热产生数值是一，那对于应用小型化可控核聚变反应堆的航天飞机来说，热产生数值恐怕不会低于十。”
    “无论是冷却外场线圈过程中所诞生的热量，还是磁屏蔽的热量，恐怕都不是那么好解决的。”
    闻言，翁筠宗皱起了眉头。
    对于真空散热来说，辐射这块除了改善材料和变着法的增发比表面积，目前来说其实并没有什么太好的其他办法。
    黑体辐射（完全热辐射）频率只与温度有关，而不同材料影响的只是物体对电磁波的反射和折射等，总体上辐射频率只与温度有关。
    国际空间站就是类似的方案，通过堆面积来解决辐射散热方案。
    而且关键是散热板的温度也不能提太高，毕竟制冷机两热库温差越大制冷机效率越低，所以其实散热板温度不会比热源温度高太多。
    如果说散热板无法解决这个问题的话，麻烦就大了。
    对于徐川说的这个问题，航天研究所是考虑过的，但却没有想到这种方式会远远不够。
    思索了一会，翁筠宗抬头看向徐川，皱眉开口道：“如果是这样的话，除了改善材料和变着法的增发比表面积，提升热辐射效率外，就只有增加一部分工质重量来进行蒸发相变散热了。”
    “但这样的话，增加工质会增加航天重量，整体上来说有些会很得不偿失。”
    航天飞机的重量，并不是可以随意增加的，航天发动机的推力，是主要限制的原因。
    而且重量每增加一份，就需要增加一份的发动机推力不说，还需要额外补足一份燃料或工质。
    这样一来，额外补足的燃料和工质，又占据了一份重量。
    就像米国研发的史上最强运载火箭系统‘土星5号’一样，其一级火箭的总推力高达3400吨，但实际上它最多只能将一百吨的物资送上近地轨道。
    剩下的三千三百多吨的推力，全都用于消耗自重上了。
    所以说，航天飞机的重量，设计上的每一次的改变造成的影响都是巨大的。
    更关键的是，空天发动机的推力到底有多少，他们目前还不知道。
    尽管从理论上来说，运用了改进型超导材料和螺旋式轨道增加了加速场长度的空天发动机，推力能到达百kn级，但实际上有多少，只有等第一次测试后才能知道了。
    这种情况下，每增加一分散热工质，对于发动机推力的要求，就高一分，条件要求，就极为苛刻了。
    思索着，翁筠宗看向徐川，试探性的问道：“徐院士您这边有什么想法吗？”
    虽然提出了问题，但老实说他并不觉这位在航天散热方面能有什么好的想法。
    毕竟跨行如跨界，航天领域和可控核聚变领域是两个完全不同的领域，试探性的问一下，也只是随口的性质。
    而且外太空真空环境下的航天器散热，是全世界都在犯愁的巨大难题。
    世界性质的，有能力推动卫星或者空间站上天的，都需要面临这个极大的麻烦。
    不过让他没想到的是，这位出乎意料的点了点头，表示自己真的有办法解决。
    有些惊讶的看了一眼，翁筠宗好奇的开口道：“怎么说？”
    徐川笑了下，拾起桌上的控制笔，将荧幕上的空天发动机设计图翻到结构上。
    “我之前大致的计算了一下，以目前的热辐射效率对使用空天发动机和小型化可控核聚变技术结合的航天飞机进行散热的话，至少需要两个表面积的航天飞机散热板来进行。”
    “但这很显然是不现实的，我们不可能随身携带如此之多的散热板上天。”
    “那么寻找一种新的散热方式是必须的。”
    “而考虑到太空中特殊的真空环境，抛开热辐射外，能用的手段就没多少了。”
    “你刚刚说的通过增加一部分工质重量来进行蒸发相变散热是可行的手段，但它会导致航天飞机自重的增加，这对于各方面都影响较大。”
    “不过要解决散热问题的话，还是得依赖散热工质来解决.”
    听到这，翁筠宗眼神中带上了一些疑惑，有些不解的看向徐川，即想通过工质解决散热，又不想增加航天器的自重，这怎么做？
    留意到他的眼神，徐川笑了笑，指着荧幕上的空天发动机设计图继续道：“所以我需要伱们对空天发动机的设计进行一下改造，在这两个位置增加一套蒸发相变散热装置。”
    顺着徐川所指的位置看去，翁筠宗的目光落在了航天工质存储器与加速场的管道中。
    盯着设计图看了一会，他瞳孔骤然收缩了一下，忍不住咽了口唾沫，深吸了口气开口道：“您的意思是，准备通过原有的航天工质来解决散热这个问题？”
    徐川笑着点了点头，道：“没错。”
    “额外的进行散热工质的增加，不仅会压缩航天飞机上的空间，也会对于航天飞机和空天发动机造成极大的负担。”
    “但与传统的霍尔推进单元以及空间站的等设备不同的是，空天发动机对工质的利用是进行电离的，它通过磁场进行额外的加速，不在乎工质的状态到底是什么样的。”
    “这种情况下，我们可以通过预先存储液态的超低温工质，来通过冷却剂循环系统对航天飞机内部的循环热量进行转移，将其在航天工质上进行释放，然后转移到空天发动机里面，再排到外太空去。”
    一旁，翁筠宗的眼神越发的明亮和敬佩，他顺着徐川的话继续往下道：“而且超低温状态下的工质在进入加速场前就进行了预热，这也能降低一部分空天发动机对电能的消耗.”
    徐川笑着摇摇头：“这部分的节省倒是不算什么，关键的点在于通过这种方式能解决掉航天飞机的内部热量就行。”
    “理论上来说，这种方式是可以的，只是实际上航天工质对热量的转移和消耗能有多少，这个就需要你们来进行具体的实验了。”
    顿了顿，他又补了一句：“而且你们不仅要进行实验测试数据，你们还要对测试哪种常规航天工质能更多的带走热量。”
    翁筠宗迅速点头，道：“这个没问题，这种实验我们不需要等空天发动机制造出来，现在就可以做。”
    模拟太空环境测试工质的热承载度这种实验，虽然对实验环境的要求很高。
    但这可是国内最顶尖的星海研究院，制造个超低温真空环境轻而易举。
    徐川笑道：“那就交给你们了。”
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    (本章完)