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我们在宇宙类科幻电影里常常可以看到星际飞船或者战舰,使用一种发着幽蓝色光的推进引擎,是不是觉得很炫酷?这种幽蓝色的推进装置叫做离子推进器。其实已经在某些卫星和航天器上使用了。
离子推力器,又称离子发动机,为空间电推进技术中的一种,其原理是先将气态工质电离,并在强电场作用下将离子加速喷出,通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务。与传统的化学推进方式相比,离子推力器需要的工作介质质量小,能量转化效率高,但是离子推进器的推力很小。适合长距离长时间空间持续加速使用。
并非最新科技
人类通过磁场控制带电粒子的运动并不是什么新科技,最早的黑白电视机显像管,就是通过控制电子的偏移在荧光介质屏幕上形成影像。离子推进的原理也比较类似。
显像管技术考夫曼与他手中的离子推力器
年NASA的考夫曼研制了第一个离子推进装置,其原理如下图:先将汞注入电离室,然后电子枪注入电子,用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子,汞离子带正电,用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力。
在喷口附近加一把电子枪,向离子束注入带负电的电子,使其中性化,恢复成不带电的原子。否则带电离子会沾满整个推进器表面和航天器,发动机内部也会积累电子产生静电,造成各种麻烦。在实际运用中考虑到汞离子的强腐蚀性,现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙。(就是我们汽车氙气大灯里的那种惰性气体)。
年,离子推进开始进行SERT-Ⅰ空间飞行试验,年进行了SERT-Ⅱ空间飞行试验;但是由于技术要求高和对供电装置的依赖,一直没有被正式运用,随着全球卫星通讯的增长,要求卫星的工作寿命越来越长,特别是大型通信卫星,其寿命要求长达15年,为保持轨道定点位置,所需的推进剂越来越多,大量挤占了有效载荷的重量。因此,大型通信卫星的推进系统改用电推进已势在必行。此外,小卫星的普遍兴起,对离子推进提出了需求,直到年离子推进在商业卫星上正式应用;年首次用作航天器的主推进系统。
只能吹动一张A4纸的推力
离子电推进发动机的特点是加速力和加速度都很低,可能会只有几十毫牛顿和几厘米/秒,有人形容这种推力只能“吹动一张纸”。但与化学火箭极短的燃烧时间不同,电推进是“细水长流的工作方式”提供的加速时间可以很长,因此发动机比冲很大,就是说同样质量的工质能提供更大的总推力和最终速度。另一方面,太空中重力影响小,也没有空气阻力,卫星的调姿和变轨,微小推力往往就已足够。
6毫牛的推力
实际运用
年美国“深空1号”首次将离子发动机作为主力推进系统应用在深空飞行,由于这次任务是需要飞越火星以外去探测一颗彗星,研发设计了一部功率瓦特、可供长时间连续使用的离子推进器,为了保证飞行器的电力供应,安装在本体两侧的太阳电池阵,在展开状态下长达11.75m,该电池阵在距离太阳1AU(1AU是一个地球到太阳的距离约1.5亿公里)处可产生2.5kw功率。飞行器总重量.3kg,其中包括31.1kg的肼推进剂用于引力加速用,以及81.5kg氙气用于主离子推进引擎持续加速用。最后该探测器推进器连续工作了长达20个月。年9月成功地飞越了彗星Borrelly,传回了迄今拍摄的最好的彗核图像。
深空一号的离子推进装置日本的隼鸟2号探测器
隼鸟2号小行星探测器是日本发射的“隼鸟”的后继探测器。年“隼鸟2号”与小行星JU3相遇并对其进行探测(各种折腾,轰炸了小行星一番),并收集携带了小行星样本物质将于年(今年)底返回地球。
隼鸟2号用大喇叭取样后飞离隼鸟2号使用的也是三台电推进引擎,不同的是,隼鸟2号的离子发生器采用的是微波电离气体方式。
微波电离微波可以将灯泡内的惰性气体电离,并让灯泡发光。(这个实验非常危险!请勿模仿)
我国的离子推进发展
我国在年首次开展汞离子推进器的研究,开发的LIPS-80离子发动机,获得年国家科技进步一等奖,然而之后就一直停滞了20年……
年,重启离子电推进研究。年,我国第一台毫米氙离子推进器样机问世,补上了落下20年的课。
年“实践九号”A/B双星,首次使用离子推进器,推力40毫牛,喷口速度30km/s,算是赶上了国际水平。
年12月升空的“实践二十号”搭载了十多项国际领先技术,其中毫米的LIPS-离子推进器,喷口速度达到了40km/s,推力毫牛,首次实现了高低功率双模式,成功踏入电推第一梯队。
国产氙气离子推进器实践十三号卫星是我国自主研发的新一代高轨技术试验卫星,于年4月12日在西昌卫星发射中心成功发射。实践十三号的作用可以理解为一个太空中的高速网关,首次在我国通信卫星上应用Ka频段宽带技术,通信总容量达20Gbps,该星主要为中国地区等区域用户提供服务,可实现偏远地区的移动通信基站接入及其他行业应用,广泛应用于企业专网、远程教育、医疗、互联网接入、数字新闻采集、机载船舶通信和应急通信等领域。(如果以后飞机上配备接收设备,这货就可以提供天上吃鸡和王者农药服务啦)而这颗卫星使用的就是我国自己研发的电推引擎。
霍尔推进器
通信卫星上采用的电推力器主要有离子推力器和霍尔推力器两种。”波音公司和日本卫星主要采用离子推力器,劳拉、洛马和泰雷兹、空客等公司主要采用霍尔推力器。两种推力器本质上一样,都是用电能将惰性气体氙气电离,形成由离子和电子组成的等离子体,离子在电场作用下加速喷出,产生推力。不同的是,离子推力器的电离区和加速区分离,推力器效率更高,比冲更高,缺点是组成复杂,电源种类多;霍尔推力器的电离区和加速区是合一的,因而体积更小,电源种类少,缺点是比冲低,羽流角偏大。
霍尔推进器被离子电推进的尾焰喷到会怎么样?
很多人可能会比较好奇这个问题,认为可能会被高温烫伤或者被电击到,其实假设你站在氙气离子推进器后面,由于氙气带电离子已经被电子中和了电性,你是不会被触电的,但是由于你的皮肤表面可能带有静电,所以会有汗毛竖起的情况,氙气离子温度并不高,你可能感受到的是一阵离子风吹过的轻微感觉。仅此而已。
安静的离子电推飞机
长期以来,几乎所有科学家和航空专业人员都认为离子发动机飞机不可能在大气层内飞行,因而这项技术早已被人遗忘。在电池、电子和新材料技术突飞猛进的今天,麻省理工学院的一个科学家团队决心重新审视一下这种技术,看看有没有可能制造出能在地球表面飞行的离子发动机飞机。
翼展5米,重2.45公斤,平均高度仅0.47米的情况下能持续飞行60米,这架造型奇特的飞机,近日在学校的体育馆内完成了首次飞行。
和传统的飞机相比,这架“电喷”飞机和则完全不同,它没有螺旋桨、没有涡轮喷气发动机,由带电空气分子碰撞而成的“离子风”提供了飞行所需的推力。正如飞机的发明者、麻省理工学院航空航天副教授史蒂文·巴雷特说:“这是史上第一架推进系统中没有任何活动部件的飞机,将为飞机带来新的可能性,未来的飞机会更安静,机械设计更简单,并且不会排放燃烧物。”
梵观点:希望电推进真的以跬步之力推进人类探索千里。