如何用稀薄的空氣製造新的火箭燃料?

2021-01-08 EDN電子設計技術

衛星用離子推進器推動，並不是啥新鮮事，但這次是，歐洲航天局與義大利公司SITAEL合作開發了一種電動推進器，它使用周圍的空氣分子作為推進劑，為可在較低軌道上運行更長時間的新一代衛星創造了機會。r2Iednc

到目前為止，配備離子推進器的衛星，其航程受到內部可存儲的星載推進劑的數量所限制。歐洲航天局的地球重力場和海洋環流探測衛星（GOCE），在海拔低至250公裡的軌道上在地球上空盤旋了四年，但當它開始履行任務時裝填的40公斤氙氣耗盡時，它的旅程就結束了。通過電離空氣分子而不是像氙氣這樣的氣體，只要衛星運行在高度低到足以存在空氣的大氣軌道上，衛星推進劑就不會耗盡。r2Iednc

新型推進器的工作原理是吸入空氣分子並壓縮它們，直到把它們轉化為熱化離子等離子體。推進器產生電荷來加速分子，並將其噴射出，產生推進力。因不再需要星載推進劑，配備的衛星可以變輕很多。進氣系統還顯著降低了空氣阻力，這是另一個好處。r2Iednc

「這個項目設計非常新穎，它在大約200km高度、7.8km/s的典型速度下，從地球大氣層頂部獲取空氣分子作為推進劑。」歐洲航天局該項目的研究員Louis Walpot表示。r2Iednc

這項技術的一個有趣的潛在應用是創建一種「輕掠」（skimming）衛星——這種衛星周期性地降落到大氣中，在使用離子推進器「加油」後，再爬回到較高的軌道。各種協同衛星可以利用該技術來確保有足夠的衛星在正確的軌道和位置上運行，從而完成任務。也可以安置冗餘衛星處於等待模式，隨時填補因故障或老化而造成的任何缺口。類似於地球上物聯網中所使用的網狀網絡，若干小型自推衛星也可以這樣組網。r2Iednc

運行在地球軌道上的衛星，可能並非這種新技術的唯一受益者。研究人員認為，可以對推進器進行調整，使其在各種環境下工作。這意味著，理論上也可以將它們集成到設計用於勘測其他行星的全自動太空飛行器中。例如，火星大氣可提供足夠燃料，為無人衛星任務常年提供動力。r2Iednc

該團隊建立了一個完整的推進器來驗證概念並測量推力，並在SITAEL的真空室中模擬200公裡高度的環境進行測試。該系統能夠使用普通大氣作為唯一的推進劑反覆點燃。根據Walpot的說法，該結果意味著吸氣式電力推進不再只是一種理論，而是一種切實可行的工作理念，對其開發應用的條件業已成熟，它有望作為未來新一類任務的基礎。r2Iednc

原文《How new rocket fuel could be made out of thin air》發表於EDN姐妹網站Electronic Products。《EDN電子技術設計》6月刊版權所有，轉載請註明來源及連結。r2Iednc

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