宇航推進-電推進（一）

星際迷航

大家應該或多或少接觸過科幻電影，那些飛船尾部都帶有藍色的光焰——羽流。藍色，一種科幻的顏色。今天，我們介紹一下這個存在於現實中的航天飛船動力，它就擁有科幻的藍色光焰羽流！

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大家都或多或少在電視上見到過火箭發射時的場景，尤其是剛點火升空的那一瞬間，爆炸式的燃燒噴出長長的尾焰，巨大的反作用力使得火箭加速離開地面，飛向太空，這是太空飛行器從地面到太空的一個過程。火箭載荷（一般包括人造衛星、探測器、飛船等，下稱太空飛行器）送到一定軌道高度後，需要太空飛行器自身的動力完成軌道轉移、姿態調整和位置保持。傳統的太空飛行器動力為化學式推力器或者冷氣推力器。化學式推力器（分為固體燃料和液體燃料，一般採用液體）本質上與火箭發動機沒有太大的區別，都是通過燃燒自身攜帶的推進劑產生推力，使航天獲得加速度達到變軌等目的。冷氣推力器一般設計一個合適的管道如拉法爾管（可以用來加速冷氣獲得更大的推力）然後將氣體噴出產生推力。冷氣推力器和化學式推力器兩種推力器都有一個共同的缺點——比衝低（前者很多甚至不到100s，後者可以達到250~450秒），關於比衝的概念在《齊奧爾科夫斯基（二）讓火箭飛起來》中提到過，簡言之就是對於一定質量流量的噴出物，其被噴出的速度越快，比衝越大。比衝低造成的後果就是太空飛行器為了達到某一目的（如軌道轉移），需要攜帶更多的燃料。目前的發射成本大於1萬美元/kg，以2~4噸的通信衛星為例，其一半以上為推進劑和推進系統的質量，這不僅導致衛星的成本異常之高，同時還嚴重了影響有效載荷。

那麼，如何提高推力器的比衝呢？答案是電推進系統（Electric Propulsion System），核心是其中的電推力器（Electric Thruster）。

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	電推力器，顧名思義是將電能轉化為動能的過程，電能相對於化學能而言，在太空中是可以採用太陽能的。當然，電推力器無法將電能直接轉化為動能，因為電推力器主要是電離工質產生離子，然後加速離子噴出產生推力的。根據產生離子和加速離子方式的不同，大致分為電熱式、靜電式和電磁式三種推力器。
圖1.電推力器分類及比較
		從紅色框中可以看出，電推力器的比衝明顯比要高於傳統推力器。實際應用時並不能僅僅通過以上數字進行選擇，就如同大家選手機，並不能簡簡單單的看配置一樣，更何況這比選手機強多了。不同的推力器，需要根據任務（速度變化量）、自身能夠提供的功率、推力大小等決定。目前大量應用於航天的推力器為電磁式推力器中的霍爾推力器和靜電式的離子推力器。
圖2.多環霍爾推力器（大功率）
圖3.磁聚焦型霍爾推力器|@人民網
圖4.離子推力器原理圖
圖5.離子推力器點火（羽流顏色與工質有關）
		前者以前蘇聯為主要研究對象， 明星產品為spt系列以及改進產品aton系列，後者是美國主推的推力器。
	 	蘇聯解體後，霍爾推力器由於其優異的性能，技術傳入了世界各大航天強國。一葉所在的研究所與已逝的霍爾推力器的發明人莫羅佐夫教授有過深度合作，去年榮獲高校十大科技進展獎的磁聚焦型霍爾推力器的理念就是莫羅佐夫提出來的。其他已經應用於航天的推力器還包括電熱式推力器，有日本的隼鳥號以及Lockheed Martin 公司 A2100TM衛星平臺採用 Primex 宇航公司的 MR510 2KW 肼電弧加熱推力器。
圖6.電弧推力器
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圖7. 電推力器應用範圍分類
		上圖是各種推力器的應用範圍，可以根據不同的功率、比衝要求選取推力器。目前太空飛行器提供的電功率非常有限，即使是向通信衛星這類大型衛星，能夠為推力器提供的功率大概在	1-10kW量級。為了提升有效載荷，在滿足功率的情況下將會儘可能選用比衝高的推力器。由圖可以知道，在1-10kW可以選取霍爾推力器和離子推力器，這兩種推力器比衝都超過了1000S，一般霍爾推力器比衝能夠達到2000-3000s，離子推力器最高比衝能夠達到約4000s，這也是霍爾推力器和離子推力器成為主流電推力器的主要原因。二者各有特色，霍爾推力器相對於離子推力器而言存在結構簡單，易於集成，功率密度高、容易大型化等優點，特別是大型化，離子推力器是難以企及的。 
		以霍爾推力器和離子推力器為主要討論對象，化學推進大致比較一下實際任務有效載荷質量與發射質量之比。
圖8.有效載荷比較
		上圖即為比較結果，由圖可以發現二者之間存在巨大的差別。尤其是最後的星際探測，存在近10倍的差距。	
	當然，電推力器也有其局限性。首先是電推力器的推力特別小，500W-10kW的霍爾推力器，推力在10mN~3N，什麼概念呢，一張A4紙質量約等於4g，也就是40mN的重量（注意是重量不是質量哦）。我們之前有提到嫦娥探測器的主推力器為750N，因此電推力器給太空飛行器的加速度是非常小的，如果任務緊急且是地球衛星，是不能採用電推進的。那麼這麼小的推力為什麼還用呢？首先，目前電推力器應用於位置保持和姿態調整，一年的速度增量在50m/s以內，電推力器由於其精確的推力以及可以持續工作的特點，可以節省大量成本的同時提高控制精度。但是，以後的趨勢將會是全電推進平臺衛星，畢竟不是所有的任務都是非常緊急的。
		為什麼我會強調地球衛星呢？因為進入深空探測後，由於電推力器的比衝很高，攜帶同等質量的推進劑，電推力器給太空飛行器的速度增量遠遠超過化學推進。如果有兩個太空飛行器同時從某一軌道進入太陽系深處，將會出現如下太空版的龜兔賽跑。當然，這個比喻不是特別合理，畢竟電推力器主導的太空飛行器最終速度是遠大於化學推進主導的太空飛行器的。
		電推力器除了推力小的缺點外，還存在其他一些嚴重的問題需要解決。其中包括帶電粒子返流沉積在太空飛行器表面尤其是太陽能帆板上，導致太空飛行器表面帶電。其二是由於電推力器中等離子體存在振蕩，電子振蕩的頻率與通信頻率接近會嚴重乾燥通信。
		做一個小結吧：
	1、 電推力器分為三種形式：電熱式（如電阻加熱）、靜電式（離子推力器）、電磁式（霍爾推力器）；	
	2、 電推力器的比衝高，霍爾推力器和離子推力器能夠達到2000~4000s的比衝，是化學推進的10倍以上；	
	3、 推力特別小，但是可以持續工作，且提供高精度的推力，目前主要用於軌道保持、姿態調整，未來將會向全電推進衛星平臺發展。由於其高比衝、壽命長等特點，未來的星際探測將會大面積採用電推力器；	
	4、 容易返流造成太空飛行器表面帶電；
		5、 由於等離子體振蕩會影響太空飛行器的通信。