离子发动机新突破!碘动力航天器完成在轨测试,成本降低百倍不止
火箭作为利用反冲力推进 , 用以发射人造卫星、宇宙飞船、或装上弹头制成导弹的飞行装置 , 其实有着悠久的历史 。 例如早在三国时期 , 就开始使用引火物附在箭头上 , 然后射到敌人身上引起焚烧 。
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而现代火箭则是自身携带全部推进剂(通常是固体和液态化学燃料) , 然后在点火后通过火箭发动机喷射工质(工作介质) , 产生反作用力向前推进的飞行器 。 它不依赖外界工质产生推力 , 就可以在稠密大气层内 , 以及大气层外飞行 。
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然而这玩意虽然推力很大 , 却有个致命的缺点 , 那就是需要消耗太多燃料了 。 例如人类历史上最大的火箭“土星五号” , 起飞重量达3000多吨 , 最后送上月球的部分只有45吨 , 剩下的质量几乎都是燃料 。
除此之外 , 随着卫星的工作寿命越来越长 , 为保持轨道定点位置 , 卫星所需的推进剂也越来越多 , 占用了太多有效载荷 。 再加上小卫星的兴起 , 使得人们对低消耗 , 高推进的推进器也提出了更急切的需求 。
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但重要的是 , 根据动量守恒原理 , 化学火箭发动机是依靠尾部喷射工质获得反推力运动的 。 所以要想减少燃料消耗又不降低推力 , 那就只能以更快的速度喷射工质才行 。 可人们发现 , 依靠化学燃烧的方式 , 10km/s已经是火箭喷出物的速度“天花板” , 再难满足我们对航天探索的需求 。
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上图:离子推进器
好消息是随着科技的发展 , 现在又有了一种新的推进器 , 可以完美的解决这个问题 , 它就是离子推进器 。 其原理就是用电子轰击原子产生离子 , 然后通过电场加速离子 , 向后喷出获得推力 , 就像是粒子加速器的缩小版 。 目前 , 粒子加速器能产生人类所能达到的最高速度——299,792,455米/秒 , 也就是光速的99.9999991% , 只比光速慢了3米/秒 。
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离子推进器的体积小巧 , 甚至可以和家用扫地机器人差不多 , 但喷射速度却是化学燃烧推进器的十倍 。 也就是说 , 只要消耗十分之一质量的工质 , 就可以获得和化学火箭一样的推力 。 但它有个缺点 , 即高速运动的离子会和加速用的电极栅板碰撞 , 不但影响效率 , 还会产生腐蚀 , 因此用不了多久 , 电极板就报废了 。
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上图:离子推进器 , 正面是一个金属网栅 , 又称网格离子推进器 。
因此 , 更高效的离子推进器——霍尔推进器诞生了 。 据悉 , 目前中国空间站核心舱就配备了4台霍尔推进器 , 它们可以从核心舱宽大的太阳能翼获得充足的电能 。 在跟神舟十二号对接前 , 就是靠它来完成维持轨道的工作 。
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上图:霍尔推进器 , 与网格离子推进器有所不同 , 它的正面是由陶瓷组成的凹槽 。
霍尔推进器的离子产生区和加速区不再是分开的 , 而是将喷口处的负极板取消 , 做成敞口结构 , 这样既能达到加速离子的效果 , 又不会碰到极板 , 避免了腐蚀问题 。 同时利用霍尔效应 , 即通过磁场控制电子在电场中的运动 , 让它们老老实实地跟原子相撞 , 形成离子再喷出去 , 大幅度提高了离子的生成率 。 所以又被称为霍尔推进器 。
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