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建造VASIMR就是張福林在20世紀(jì)70年代提出的主意。它能同時(shí)具有化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和離子發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擁有高推力、低比沖，離子發(fā)動(dòng)機(jī)則是低推力、高比沖。而VASIMR，它能在高推力、低比沖和低推力、高比沖之間的自由轉(zhuǎn)換，在這兩者之間調(diào)整參數(shù)，所以被稱作“可變比沖”。

張福林一直致力于該項(xiàng)目研究，但之后的20多年里他忙于作為宇航員7次進(jìn)入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了Ad Astra火箭公司，試驗(yàn)場(chǎng)就在他的出生地哥斯達(dá)黎加附近的航空中心。

突破性成果在2008年到來(lái)，這就是VX-200等離子引擎測(cè)試臺(tái)，它利用氬氣作為推進(jìn)劑的*階段達(dá)到了全功率30千瓦。VX-200*超越了傳統(tǒng)的等離子發(fā)動(dòng)機(jī)：比沖在3000~30000秒之間隨意轉(zhuǎn)換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)67%。張福林說(shuō)：“用它飛到火星只需39天，這樣能節(jié)省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長(zhǎng)時(shí)間的宇宙射線輻射。”

VX-200分為三部分：在前部單元里，首先是把噴出的氣體電離生成等離子體，類似于在蒸汽機(jī)里燒開(kāi)水，這是以一種螺旋波射頻天線（helicon RF antennas）來(lái)實(shí)現(xiàn)；中部單元充當(dāng)放大器，它用電磁波的能量進(jìn)一步把等離子體加熱到幾百萬(wàn)度；而尾部單元的磁性噴嘴可將等離子體的能量轉(zhuǎn)化為噴氣口的速度，從而產(chǎn)生反向的推力。

張福林解釋說(shuō)，VX-200使用了新的算法來(lái)控制和穩(wěn)定等離子體，主要是控制超導(dǎo)磁場(chǎng)。通常來(lái)說(shuō)，火箭發(fā)射時(shí)噴射氣體溫度越高，比沖量就越高。為大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當(dāng)于太陽(yáng)中心的溫度。但是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射嘴所能承受的溫度有限。噴嘴溫度太高，用什么材料是一個(gè)問(wèn)題。和核聚變裝置一樣，解決的辦法是使用磁場(chǎng)。在強(qiáng)磁場(chǎng)，比如超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)下，等離子體會(huì)以固定頻率旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的中部單元在磁場(chǎng)控制下讓其按自然頻率繞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度迅速上升之后，再?gòu)奈膊繂卧研D(zhuǎn)變成軸向運(yùn)動(dòng)并釋放出去。所有這些變化的環(huán)境都要求對(duì)磁場(chǎng)和電磁波精準(zhǔn)的控制，這是新的控制算法的功勞。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型機(jī)已經(jīng)開(kāi)始了試驗(yàn)，它能實(shí)現(xiàn)從近地軌道到月球軌道的變軌。

簡(jiǎn)介

三軸陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心敏感器件，其測(cè)量精度直接影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的姿態(tài)解算的準(zhǔn)確性。因此，如何減小三軸陀螺儀的測(cè)量誤差，提高其測(cè)量精度，就成為了一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題 [1]  。對(duì)于單軸陀螺儀來(lái)說(shuō)，影響其靜態(tài)測(cè)量精度的主要因素是該傳感器的零偏誤差、刻度系數(shù)誤差和隨機(jī)漂移誤差; 但對(duì)于三軸陀螺儀來(lái)說(shuō)，其測(cè)量結(jié)果的精度與構(gòu)成三軸陀螺儀的各單軸陀螺儀的零偏誤差、刻度系數(shù)誤差、隨機(jī)漂移誤差以及各單軸陀螺儀敏感軸之間的不正交安裝誤差相關(guān)。相比于單軸傳感器，三軸傳感器的校準(zhǔn)參數(shù)更多，校準(zhǔn)過(guò)程更為復(fù)雜。目前，陀螺儀的標(biāo)定通常采用位置標(biāo)定和速率標(biāo)定方法 [2]  ，這2 種方法具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但隨著標(biāo)定參數(shù)的增加，數(shù)據(jù)量劇增，耗時(shí)，且測(cè)試條件比較苛刻，需要高精度的測(cè)試設(shè)備，標(biāo)定結(jié)果取決于測(cè)試設(shè)備的精度; 此外，有采用系統(tǒng)級(jí)的標(biāo)定方法，利用慣性儀表的輸出直接進(jìn)行導(dǎo)航解算，利用導(dǎo)航解算誤差作為量測(cè)量來(lái)估算陀螺誤差參數(shù)，這種方法不需要精密的測(cè)試設(shè)備，通常采用濾波算法對(duì)誤差進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，但計(jì)算量大，可觀測(cè)性分析復(fù)雜，標(biāo)定時(shí)間較長(zhǎng)。因此，本文提出了一種基于橢球擬合的三軸陀螺儀的快速校準(zhǔn)方法。首先對(duì)三軸陀螺儀的制造誤差進(jìn)行全面的理論分析，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)橢球擬合算法，對(duì)包含制造誤差的三軸測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行橢球擬合，并對(duì)陀螺儀的制造誤差進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定與補(bǔ)償 [3]  。

核動(dòng)力還是太陽(yáng)能？

“VASIMR終將是一個(gè)核電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。”張福林認(rèn)為，因?yàn)槟壳昂玫膭?dòng)力來(lái)源就是核反應(yīng)堆。等離子發(fā)動(dòng)機(jī)需要超長(zhǎng)的持續(xù)電力供應(yīng)，用核裂變反應(yīng)堆為VASIMR提供電力，能很輕松地將人們帶到火星，使用的燃料比化學(xué)火箭少很多，飛行時(shí)間也會(huì)少很多。這要求攜帶一個(gè)電力供應(yīng)裝置。

但是VASIMR的主要買家NASA卻始終對(duì)它的動(dòng)力源守口如瓶。他們所說(shuō)的能源方式是使用一個(gè)巨大的太陽(yáng)能電池板。但電池板的效率不夠高，如果想往外圍的深空繼續(xù)進(jìn)發(fā)，或者運(yùn)送更大的載重，就必須獲得更大的電能，至少應(yīng)該達(dá)到以兆瓦計(jì)算的規(guī)模，而目前的VASIMR多也就200千瓦。對(duì)太陽(yáng)能電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以增加太陽(yáng)能的利用效率，一可預(yù)期的方式是使用納米技術(shù)，但需要多久才能發(fā)展出能實(shí)用、可靠的技術(shù)呢？還沒(méi)有答案。一的選擇就是使用核電系統(tǒng)，

NASA的表態(tài)可能是考慮到安全問(wèn)題，以及公眾的“談核色變”。“很明顯，核裂變只要設(shè)計(jì)正確，操作維護(hù)認(rèn)真，是可以安全運(yùn)行的。”VASIMR研究項(xiàng)目小組的負(fù)責(zé)人對(duì)使用核技術(shù)并不回避，他說(shuō)：“VASIMR是在航天器升上太空之后才開(kāi)始啟用，核反應(yīng)堆在離開(kāi)地球時(shí)處于惰性狀態(tài)，并且我們將它拆開(kāi)后才向太空運(yùn)送。因此任何單*部分都不會(huì)對(duì)地球造成威脅，惰性狀態(tài)下的鈾也沒(méi)什么危險(xiǎn)。”

技術(shù)已經(jīng)能讓船載核電系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)百千瓦的電能，而且在不遠(yuǎn)的將來(lái)能發(fā)展到兆瓦的級(jí)別。離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推力仍舊比不上傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那么高，不適合做火箭的*級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，很難將有效載荷從地球帶到近地軌道。但比沖量方面的優(yōu)勢(shì)則很明顯，到了近地軌道，離子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)才能顯現(xiàn)。張福林和他的團(tuán)隊(duì)希望在測(cè)試中將動(dòng)力升至200千瓦，這足夠提供大約0.45千克的推力。聽(tīng)上去并不太多，但在太空中，0.45千克的推力可以驅(qū)動(dòng)2噸重的貨物。

2012年，Ad Astra的VASIMR原型（使用太陽(yáng)能發(fā)電，而不是核能）將被帶到空間站，一名宇航員將在太空行走中安裝這臺(tái)200千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)。如果一切順利，用5牛頓的推力，就能讓空間站實(shí)現(xiàn)變軌。試驗(yàn)成功與否，將暗示著VASIMR能否為NASA畫出下一個(gè)十年計(jì)劃的美好前景—輕松將人員或貨物送上月球，或者火星。