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( 二 ) 火箭作为利用反冲力推进

文章图片
【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】上图：霍尔推进器原理图
一些较旧的离子推进器设计使用汞推进剂。然而，汞是有毒的，容易污染航天器。因此目前的离子推进器，所使用的比较理想的工质，主要就是氪（Kr）和氙（Xe），因为它们相对于其他物质而言，更容易与电子发生碰撞并电离，其次是电离后不易产生腐蚀性物质。

文章图片
不过它们二者也各有不同。其中氙比氪更容易碰撞电离，所以当前许多离子推进器的设计都要求使用氙气，这也使得氙气在全球范围内供不应求且价格昂贵。有数据显示，在2021年氙气的价格约为3,000美元/公斤，因此氪就比氙更便宜，更丰富。自2018年以来，在商业应用上，氪气更加受到青睐。比如马斯克的星链卫星，所用的霍尔推进器工质就是氪。

文章图片
但氙、氪的存在还是太过稀少、而且需要专用加压设备才能存储，成本还是太高。因此为保证航天业的长期可持续发展，有必要寻找一种替代推进剂。好在还有很多其他原子都可以用做推进器的燃料，比如锌、氮、碘、镁、铋等。另外，不同的原子喷出来的颜色也是不一样的。

文章图片
拿碘来说，它是蓝绿色的，且价格更加低廉、产量丰富，而且还可以固态储存。碘在标准情况下以带光泽的紫黑色固体状态存在，但只要在较低压力下加热碘，它就会直接从固体升华为气体，这使得碘成为离子推进器完美高效的燃料。并且碘在地面测试中已经能达到比氙气更高的效率。

文章图片
上图：在真空室中点火的碘电推进系统
而根据2021年11月17日发表于《自然》杂志的研究显示，碘第一次被用于星际空间，是为在2020年11月6日，发射的CubeSat卫星上的， NPT30-I2网格离子推进器提供燃料。该卫星重20公斤，由法国ThrustMe公司完成在轨运行实验，通过长征六号火箭发射升空，处于高度约480公里的圆形太阳同步轨道。并且最近的飞行模型将集成到中国卫星公司天仪研究院(Spacety) ，运营的北航空事卫星一号中。

文章图片
上图：碘电推进的布局
Spacety是一家小型卫星制造商，也是中国最早的私人航天公司之一。为小型卫星提供了全方位的服务，包括制造，有效载荷托管，发射和在轨运行。其与法国航天推进公司ThrustMe合作，测试了用于立方体卫星和小型卫星的轻便，廉价的固体离子推进器。
而此次碘动力航天器完成在轨测试表明，由于碘可以在转化为气体之前以固体形式储存，不需要笨重的高压气罐，使得基于碘的系统还可以以比当前的卫星更小、更简单的形式建造。结果表明，碘已经显示出比氙气更高的电离效率。

文章图片
上图：碘电推进示意图，固体碘（深绿色区域）位于等离子体源管（蓝色区域）上游的储罐中。加热升华成低压气体（浅绿色区域）进入源管（绿色箭头）。由射频天线产生等离子体（紫色区域），最后由网格加速。废热被传导到碘罐和结构框架（蓝色实线箭头）或辐射掉（蓝色虚线箭头）。