离子推进器


  对推进器的关注,始于《救世》第二季中,Darius 为了改变小行星的航线,联合一群天才成功研发出了电磁推进器(EmDrive),保留了救世的希望。很喜欢 Darius 说的一句话:Innovation is not about “why”,it’s about “why not?”.Rules are made to be broken.

  传统的化学火箭发动机是利用推进剂的燃烧将储存于推进剂中的化学能转化为热量,这部分能量在收敛扩张超音速喷管中又被转化为动能。因为火箭自带的燃料和氧化剂燃烧所能释放的能量很有限,导致化学火箭发动机的喷气速度很慢,也就是比冲(单位推进剂的量所产生的冲量)很低,通常 300 左右,导致航天飞机发射时离地质量超过 2000 吨,但实际有效载荷只有 100 吨。

  如果利用电磁场对带电粒子直接加速,推进系统将不再受化学火箭发动机喷管几何问题的限制,可以得到远远大于传统化学火箭的喷口速度,也就是更高的比冲。举个例子,阿丽亚娜 5 号的一级主火箭发动机火神 2 号的喷口速度为 4230m/s,比冲为 431 秒。而 NASA NEXT 以氙气作为推进剂的离子喷射发动机喷口速度为 40km/s,比冲达到了 4300 秒,是火神 2 的十倍。不过离子推进器推理通常很小,只有 0.1 到 150 微牛的推力,也就是最低推力是千万分之一牛,从而对航天器的飞行姿态以极高的精度进行控制。这些都是传统化学火箭发动机望尘莫及的。而且深空探测项目中,因为没有空气阻力,持续加速带来的提升效果也十分明显。


  2001 年 7 月 12 日,阿丽亚娜 5 号在发射欧航局 3100 公斤的阿尔忒弥斯任务航天器时由于二级火箭发动机 Aestus 工作异常,卫星没有达到 GTO 预定轨道,远地点只有17487公里,是预定高度的一半。这时它搭载的 RITA-10 离子推进器力挽狂澜,在 7 年中累计工作 7500 小时,消耗了 14.2 公斤的推进剂,最终使航天器到达了预定轨道。

  经过几十年的发展,目前设计与制造离子推进器的水平有了长足的提高,在科研与商业领域都有越来越多的应用。它们降低了商业航天的成本,并使很多曾经被认为不可能的科研型航天项目具有了可行性。在可预见的未来,太空中将有越来越多它的身影。



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