星际迷航

咱们应该或多或少触摸过科幻电影,那些飞船尾部都带有蓝色的光焰——羽流。蓝色,一种科幻的色彩。今日,咱们介绍一下这个存在于实践中的航天飞船动力,它就具有科幻的蓝色光焰羽流!

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咱们都或多或少在电视上见到过火箭发射时的场景,尤其是刚焚烧升空的那一瞬间,爆破式的焚烧喷出长长的尾焰,巨大的反作用力使得火箭加快脱离地上,飞向太空,这是航天器从地上到太空的一个进程。火箭载荷(一般包含人造卫星、勘探器、飞船等,下称航天器)送到必定轨迹高度后,需求航天器本身的动力完结轨迹搬运、姿势调整和方位坚持。传统的航天器动力为化学式推力器或许凉气推力器。化学式推力器(分为固体燃料和液体燃料,一般选用液体)本质上与火箭发动机没有太大的差异,都是经过焚烧本身带着的推动剂发生推力,使航天取得加快度到达变轨等意图。凉气推力器一般规划一个适宜的管道如拉法尔管(能够用来加快凉气取得更大的推力)然后将气体喷出发生推力。凉气推力器和化学式推力器两种推力器都有一个一起的缺陷——比冲低(前者许多乃至不到100s,后者能够到达250~450秒),关于比冲的概念在《齐奥尔科夫斯基(二)让火箭飞起来》中说到过,简言之便是关于必定质量流量的喷出物,其被喷出的速度越快,比冲越大。比冲低形成的成果便是航天器为了到达某一意图(如轨迹搬运),需求带着更多的燃料。现在的发射本钱大于1万美元/kg,以2~4吨的通讯卫星为例,其一半以上为推动剂和推动体系的质量,这不只导致卫星的本钱反常之高,一起还严峻了影响有效载荷。

那么,怎么进步推力器的比冲呢?答案是电推动体系(Electric Propulsion System),中心是其间的电推力器(Electric Thruster)。

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电推力器,望文生义是将电能转化为动能的进程,电能相关于化学能而言,在太空中是能够选用太阳能的。当然,电推力器无法将电能直接转化为动能,因为电推力器首要是电离工质发生离子,然后加快离子喷出发生推力的。依据发生离子和加快离子方法的不同,大致分为电热式、静电式和电磁式三种推力器。

图1.电推力器分类及比较

从赤色框中能够看出,电推力器的比冲显着比要高于传统推力器。实践使用时并不能只是经过以上数字进行挑选,就好像咱们选手机,并不能简简略单的看装备相同,更何况这比选手机强多了。不同的推力器,需求依据使命(速度改变量)、本身能够供给的功率、推力巨细等决议。现在很多使用于航天的推力器为电磁式推力器中的霍尔推力器和静电式的离子推力器。

图2.多环霍尔推力器(大功率)

图3.磁聚集型霍尔推力器|@人民网

图4.离子推力器原理图

图5.离子推力器焚烧(羽流色彩与工质有关)

前者曾经苏联为首要研讨目标, 明星产品为spt系列以及改善产品aton系列,后者是美国主推的推力器。

苏联崩溃后,霍尔推力器因为其优异的功能,技能传入了国际各大航天强国。一叶地点的研讨所与已逝的霍尔推力器的发明人莫罗佐夫教授有过深度协作,上一年荣获高校十大科技开展奖的磁聚集型霍尔推力器的理念便是莫罗佐夫提出来的。其他现已使用于航天的推力器还包含电热式推力器,有日本的隼鸟号以及Lockheed Martin 公司 A2100TM卫星渠道选用 Primex 宇航公司的 MR510 2KW 肼电弧加热推力器。

图6.电弧推力器

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图7. 电推力器使用规模分类

上图是各种推力器的使用规模,能够依据不同的功率、比冲要求选取推力器。现在航天器供给的电功率十分有限,即使是向通讯卫星这类大型卫星,能够为推力器供给的功率大概在1-10kW量级。为了进步有效载荷,在满意功率的情况下将会尽可能选用比冲高的推力器。由图能够知道,在1-10kW能够选取霍尔推力器和离子推力器,这两种推力器比冲都超越了1000S,一般霍尔推力器比冲能够到达2000-3000s,离子推力器最高比冲能够到达约4000s,这也是霍尔推力器和离子推力器成为主流电推力器的首要原因。二者各有特色,霍尔推力器相关于离子推力器而言存在结构简略,易于集成,功率密度高、简单大型化等长处,特别是大型化,离子推力器是难以企及的。

以霍尔推力器和离子推力器为首要评论目标,化学推动大致比较一下实践使命有效载荷质量与发射质量之比。

图8.有效载荷比较

上图即为比较成果,由图能够发现二者之间存在巨大的不同。尤其是终究的星际勘探,存在近10倍的距离。

当然,电推力器也有其局限性。首要是电推力器的推力特别小,500W-10kW的霍尔推力器,推力在10mN~3N,什么概念呢,一张A4纸质量约等于4g,也便是40mN的分量(留意是分量不是质量哦)。咱们之前有说到嫦娥勘探器的主推力器为750N,因而电推力器给航天器的加快度是十分小的,假如使命紧迫且是地球卫星,是不能选用电推动的。那么这么小的推力为什么还用呢?首要,现在电推力器使用于方位坚持和姿势调整,一年的速度增量在50m/s以内,电推力器因为其准确的推力以及能够继续作业的特色,能够节约很多本钱的一起进步控制精度。可是,今后的趋势将会是全电推动渠道卫星,究竟不是一切的使命都是十分紧迫的。

为什么我会着重地球卫星呢?因为进入深空勘探后,因为电推力器的比冲很高,带着平等质量的推动剂,电推力器给航天器的速度增量远远超越化学推动。假如有两个航天器一起从某一轨迹进入太阳系深处,将会呈现如下太空版的龟兔赛跑。当然,这个比方不是特别合理,究竟电推力器主导的航天器终究速度是远大于化学推动主导的航天器的。

电推力器除了推力小的缺陷外,还存在其他一些严峻的问题需求处理。其间包含带电粒子返流沉积在航天器外表尤其是太阳能帆板上,导致航天器外表带电。其二是因为电推力器中等离子体存在振动,电子振动的频率与通讯频率挨近会严峻枯燥通讯。

  做一个小结吧:

1、 电推力器分为三种方式:电热式(如电阻加热)、静电式(离子推力器)、电磁式(霍尔推力器);

2、 电推力器的比冲高,霍尔推力器和离子推力器能够到达2000~4000s的比冲,是化学推动的10倍以上;

3、 推力特别小,可是能够继续作业,且供给高精度的推力,现在首要用于轨迹坚持、姿势调整,未来将会向全电推动卫星渠道开展。因为其高比冲、寿命长等特色,未来的星际勘探将会大面积选用电推力器;

4、 简单返流形成航天器外表带电;

5、 因为等离子体振动会影响航天器的通讯。