DAOrayaki |离子推进技术:航行更远,航速更高,成本更低

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赏金总量:80USDC

研究种类: SpaceX, Rocket Engines

原文作者:  NASA

贡献者:shaun@DAOrayaki

原文: Ion Propulsion: Farther, Faster, Cheaper

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离子推进器,作为曾经出现在科幻小说家作品里的首选推进系统,如今已经成为美国国家航空航天局的科学家和工程师们的首选驱动设备。离子推进技术对于燃料和电力的有效利用,可以促使现代航天器比目前搭载任何其他推进技术的行驶设备拥有更远的行驶范围、更高的推进速度、以及更为低廉的成本。

化学火箭向人们展示了如何把燃油效率提升至35%,但离子推进器的燃油效率接近90%。现今,离子推进器主要用于确保让通信卫星时刻保持在相对地球较为安全及适中的位置运行,此外,离子推进器还是深空探测器的主要推进动力。同一个航天器上可以使用多个推进器,但通常情况下一次只使用一个。由这些推进器驱动的航天器可以达到每秒90,000米(超过200,000英里/小时)的速度。相比之下,航天飞机的速度仅为18,000英里/小时。

不过,离子推进器虽然拥有着最高的速度,但现实往往是鱼跟熊掌不可兼得,高速所付出的“代价“便是低推力(也叫低加速度)。当前的离子推进器只能提供0.5牛顿(约0.1磅)的推力,这相当于一个人用手紧握住10个面值25美分的美式硬币所感到的力量。并且这些推进器必须在真空中运行才能在维持现有的功率水平,所以它们不能用于将航天器送入太空,因为此举需要大量的推力来摆脱地球的引力和大气。

图片1 深空1号探测器的艺术家概念图,图中的离子推进器是在全功率下运行。

资料来源:美国国家航空航天局

为了弥补低推力导致的不足,离子推进器必须长时间运行才能使航天器达到最高速度。通常情况下,在一整段航行过程中,加速是持续的,所以如果目的地很远,那么在长时间行驶环境下,航天器内部微小的、恒定的推力加起来就可以大大缩短旅行时间,并最大限度地减少燃料的使用。深空1号在超过16,000小时的推力中使用了不到159磅的燃料。因为进入太空所必须携带的燃料本就少得多,所以可以使用更小的、成本更低的运载火箭。

01推进力

艾萨克-牛顿爵士的第三定律指出,每个作用力都有一个等值反向的反作用力。这好比空气从气球的末端逸出并推动它前进。传统的化学火箭是通过氧化剂燃烧燃料来制造气体推进剂,大量的气体推进剂以相对较的速度喷出以推动火箭运行。现代离子推进器使用惰性气体作为推进剂,因此不存在与化学推进有关的爆炸风险。大多数推进器使用氙气,它具有化学惰性,无色、无味、无嗅。有时候也使用其他惰性气体,例如氪气和氩气,它们仅喷射出相对少量的离子,但这些离子又能以超高的速度运行。例如深空1号探测器,离子是以每小时146,000公里(超过88,000英里/小时)的速度被射出。

图片2 深空1号的NSTAR离子推进器的氙气离子放电。

资料来源:美国国家航空航天局

02制造离子和等离子体

离子推进器靠喷射出离子,而不是燃烧气体,以产生推力,并通过施加在航天器上的力使其向前移动。离子是由于失去或得到一个或多个电子而带正电或负电的原子或结合成一个基或分子的原子团。通过对离子的推进,离子失去了电子,所以它们带正电。当一种气体所含的部分或全部原子或分子转化为离子时,该气体实际上已电离。

等离子体是一种部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体。等离子体在自然界中无处不在(例如,闪电和荧光灯),它被称为物质的第四态(其他是固态、液态和气态)。它具有气体的一些特性,会受到电场和磁场的影响,是一种良好的电导体。等离子体是所有电力推进类型的基础,其中的电场 和/或 磁场被用于加速带电离子和电子以提供推力。在离子推进器中,等离子体由正离子和等量的电子组成。

美国宇航局生产离子的传统方法称为电子轰击法。推进剂从推进器的下游端注入电离室并向上游端流动。这种优选过的注入方法增加了推进剂留在腔室中的时间。在这种离子推进器中,电子由一个空心阴极产生,称为放电阴极,位于推进器中心的上游端。电子从放电阴极流出,并被吸引到放电室壁上(就像在寒冷的日子里从烘干机中抽出热袜子),而放电室壁被推进器的电源带着高正电荷。当来自放电阴极的高能电子(负电荷)击中或轰击推进剂原子(中性电荷)时,第二个电子被释放,产生两个负电子和一个带正电的离子。把高强度的磁铁沿放电室壁放置,当电子接近墙壁时,它们会被磁场重新引导至放电室。这样可以尽量延长电子和推进剂原子在放电室中停留的时间,增加原子被电离的机会。

图片3 离子推进器的操作:

第1步--电子(显示为淡绿色小球)由放电空心阴极发射,穿过放电室,并被阳极壁收集。

第2步--推进剂(显示为绿色)从增压室注入并流向放电阴极。

第3步--电子冲击推进剂原子,产生离子(显示为蓝色)。

第4步--离子被离子光学装置拉出放电室。

第5步--电子被注入光束中进行中和。

资料来源:美国国家航空航天局

美国宇航局也在研究通过电子回旋共振来创造离子。这种方法是使用高频辐射(通常是微波)与强磁场相结合,向推进剂原子中的电子增加能量。增加的能量导致电子脱离推进剂原子并产生等离子体。然后从这个等离子体中提取离子。

在一个网格化的离子推进器中,离子会被静电加速。用于这种加速的电场由两个电极产生,称为离子光学或电网,位于推进器的下游端。两个网格之间的电压差越大,正离子向负电荷移动的速度就越快。每个网格都有成千上万个同轴孔(或小孔)。两个网格的间距很近(但不接触),而且孔径彼此完全对齐。每一组孔径就像一个透镜一样,通过光学元件对离子进行电聚焦。

美国宇航局的离子推进器使用的是双电极系统,其中上游电极(称为屏幕网格)带高正电荷,而下游电极(称为加速器网格)则带高负电荷。由于离子是在一个高度正电的区域产生,而加速器网格的电位是负的,所以离子被吸引到加速器网格,并通过孔隙集中到放电室外,形成成千上万的离子射流。所有离子射流加在一起被称为离子束。推力是存在于上游离子和加速器网格之间的力量。离子束中离子的排出速度取决于施加在光学元件上的电压。化学火箭的最高速度会受限于火箭喷嘴的发热能力,而离子推进器的最高速度大小则取决于施加在离子光学器件上的电压,理论上该电压是无限的。

因为离子推进器喷射出大量的正离子,所以必须喷射出等量的负电荷以保持排气束的总电荷量为中性。否则,航天器本身也会吸引这些离子。位于推进器的下游周边的第二个空心阴极称为中和器,负责推送出所需的电子。

03电力推进系统

离子推进系统由五个主要部分组成:动力源、动力处理单元、推进剂管理系统、控制计算机和离子推进器。动力源可以是任何电力来源,但通常使用的是太阳能或核能。太阳能电力推进系统(如深空1号)使用阳光和太阳能电池来产生动力。核电推进系统(如计划用于木星冰月轨道器的系统)使用与发电机相耦合的热核源。

图片4 HiPEP离子推进器正在格伦6号的真空设施中以20千瓦的功率进行测试。作为比较,一个家用微波炉的工作功率约为1千瓦。

资料来源:美国国家航空航天局。

动力处理单元将电源所产生的电力转换为离子推进器各个部件所需的电力。它产生离子光学器件和放电室所需的电压,以及空心阴极所需的高电流。推进剂管理系统控制从推进剂罐到推进器和空心阴极的推进剂流量。目前它已经发展到不再需要移动部件的程度。控制计算机则用来控制和监测系统性能。最后离子推进器处理推进剂和动力,最终推动航天器运行。

第一批离子推进器的初始设计寿命并不长,但深空1号上的离子推进器的使用寿命超过了预期,在2年多的时间里使用了超过16000个小时。现在正在开发的离子推进器的设计使用寿命为7到10年。


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