科普 | 氙气推动火箭

图注:在氙推进剂上运行时,引擎羽流呈现一种亮蓝色
你知道吗?尽管离子推进器是未来航天器的一种很有前途的推进方法,其工作寿命却受其所能携带的推进剂数量所限。
不过现在,欧洲宇航局(ESA)的科学家们已经试验了一种新型的“吸气式电推进器”。
它能够在稀薄的空气中运行,有望让卫星在天空中更长久的运行、以及减少阻力。 其基于霍尔推进器而设计,即利用电场和磁场来电离气体(通常为氙气),然后将这些粒子喷射出来,以产生推力。
与传统火箭相比,这种推进方式在清洁、安全、燃油效率上都要更高,缺点就是产生的推力和加速度并没有那么强大。当然,它更擅长的是长期、缓慢的点火推进应用。
在航天器飞往遥远目的地的时候,续航耗费大量的时间。如果采用电推方案,它就可以在几个月、甚至数年的时间里持续加速。早前,NASA 刚刚测试了有史以来最强大的离子推进器之一。
图注:在真空室中等待测试的全新吸气式推进器原型
打破了多项记录的 NASA X3 离子推进器,有朝一日可能带着人类去火星。不过这项技术也适用于近地空间,毕竟一旦进入轨道,卫星就不需要太疯狂的推力,而是保持长期的稳定。
ESA 的重力场和稳态卫星( GOCE )即基于一台电推进器(有四年历史),不过 2013 年末的时候,它在机载推进剂耗尽之前,于重新进入大气层时被烧毁。
图注:吸气式电推进器工作原理图解
在新设计中,团队主要想搞定一个问题 —— 不是携带有限的燃料,而是从周边稀薄的空气中汲取来源。吸入之后,空气分子会被压缩、热化、电离(赋予一个电荷),然后被加速喷射出来(以提供推力)。
图注:用于本次测试的一套完整系统
ESA 研究员 Louis Walpot 表示:“项目从一种在海拔 200 公里(124 英里)的地球上层大气中汲取空气分子作为推进剂的新颖设计着手,其典型速度为 7.8 公里/秒(4.8 英里/秒)”。
图注:搭载电推进器的新式卫星的概念想象图
这种类型的吸入式电推进器有望让卫星在轨道上工作更长的时间,但这并不是它的唯一优势。GOCE 携带了 40 公斤(88 磅)的氙推进剂,鉴于重量对航天器的影响很大,所以放弃这点会很有价值。
老式卫星配备了一种复杂的降低空气阻力的系统,但新式的推进器完全不需要这种。经过广泛的模拟计算,研究小组在真空室中建造了一个模型,并且模拟了海拔 200 公里(124 英里)的环境。
图注:在真空测试中被点燃的电推进器
首次“点火”测试采用了可靠的氙推进剂,输入的空气分子被一个粒子流发生器冲撞到该装置上,以确保推进器能够重复点火。达成之后,团队又换了一种氮氧空气混合物。
图注:淡紫色表明该引擎运行于空气分子环境下
Walpot 表示:“当看到引擎羽流的颜色从蓝色变成淡紫色时,我们就知道已经取得了成功。最后,为了验证这个概念的可行性,系统仅采用了大气推进剂来反复点火”。
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中科富海
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