離子推進器技術,航天科技中的傳奇,讓我們自由遨遊太陽系

2021-01-12 向美好的世界獻上祝福

等離子推進器相對於我們現在的火箭,用電來推進飛行器是很多航天先驅們的夢想。

火箭通過燃燒液體或固體燃料來產生推力,給太空探索帶來了很大困難。這要從「火箭方程」說起,1903年,俄羅斯科學家、現代火箭及航天之父康斯坦丁·E·齊奧爾科夫斯基(Konstantin E. Tsiolkovsky)首先提出了「火箭方程」。後來飛行任務設計者一直用這個公式來計算完成特定飛行任務所需的推進劑的量。

根據這個方程,火箭想要使用更少的燃料就需要有更高的噴氣速度,火箭燃料的噴氣速度只能達到3-4千米/秒,想要飛得更遠就需要有更高的飛行速度,燃料消耗隨這個速度的增加呈指數增長,火箭所需燃料的質量將超過飛行機總質量的99.98%,這基本沒有給科學設備留有什麼空間。

這裡要說一下,採用火箭進行太空探索時,他的飛行並不像飛機飛行那樣慢慢消耗燃料,實際上燃料在起飛的幾分鐘內就用完了,其它時候是採用滑行。為了節能工程師們不得不設計好飛行器的飛行路線,利用星球的引力效應將飛行器甩出去,這將多花費幾年的時間,發射時機的選擇也受到很多限制。

想改進火箭有很多的難度,為了提高噴氣速度就需要有更高的溫度,這對化學反應釋放的能量和火箭燃燒室內壁的材質都提出了要求。難怪有人提出了採用核裂變技術發射火箭的想法,可見為了提高速度工程師真的絞盡腦汁。

等離子火箭技術是把等離子體(即帶電原子或分子構成的氣團)加速到極高速度來產生推力。用雷射、微波或射頻波照射氣體或者對氣體施加強電場,這一類方法把能量強加給氣體就能產生等離子體,額外的能量使氣體中的原子或分子釋放出電子。

由於等離子體包含帶電粒子,它們的運行能受到電場和磁場的強烈影響,這時對等離子體施加電場或電磁場,就可以使部分粒子加速,從飛行器尾部噴出產生推力。

等離子火箭技術眾多,研究人員想出了許多構想,技術成熟程度各不相同。其中最為成熟的有三種。離子推進器、霍爾推進器和磁等離子推進器。

離子推進器產生的噴氣速度可以達20千米/秒~50千米/秒。目前有幾十臺離子推進器在商用衛星上運轉,用於衛星的「位置保持」及姿態控制。與燃料推進器相比,可大大減少所需的燃料,每顆衛星能節省上百萬美元。

霍爾推進器的避免了空間電荷限制,因此擁有更高的推力密度,比同等尺寸的離子發動機更迅速地把飛行器加到高速。霍爾推進器的噴氣速度介於10千米/秒~50千米/秒之間。目前有200多臺霍爾推進器在地球軌道衛星上應用。歐洲空間局的智慧1號也使用了霍爾推進器,因而飛向月球耗費的燃料很少。

磁等離子動力推進器的設計方案摒棄了霍爾電流,電流與電場幾乎成一條直線。這個電流不像霍爾電流那樣容易被原子碰撞破壞,因此磁等離子動力推進器允許等離子體變得更加稠密。磁等離子動力推進器能夠產生15千米/秒~60千米/秒的噴氣速度。

說了這麼多優點,最後說說電火箭的問題,離子發動機的推力還很小,目前深空1號的離子發動機產生的推力,大約只相當於一張紙的重量。霍爾推進器尺寸很小,運行壽命也還不夠長。

目前無論哪一種電火箭,提供的加速度都比燃料火箭差很遠,只能依靠長時間加速才能達到高速。但用相同質量燃料,它能達到的最終速度卻比常規推進快很多,因此反而能更快抵達遙遠目的地。由於最終速度更快,它們也不必耗時費力地繞遠路去藉助其他行星的引力助推了。

不管怎樣電火箭的優勢得天獨厚,方便的能量來源,更高的噴氣速度,更高的能量轉化效率以及更省錢,隨著電火箭技術的不斷進步,人類在太陽系內自由遨遊指日可待。

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