不一样的航天推进系统_风闻

观察者网用户_244575-2020-11-18 08:35

2020-11-18

　　作者：吉米·罗素（Jimi Russell）

　　翻译：陈杰

　　校对：黄雪妮

　　审阅：牧夫天文校对组

　　编排：简稚珉

　　后台：库特莉亚芙卡、李子琦、徐⑨坤

　　原文链接：

　　https://www.nasa.gov/feature/glenn/2020/the-propulsion-we-re-supplying-it-s-electrifying

　　自从太空计划开始以来，人们就痴迷于庞大且有力的火箭。国外典型的大火箭有将“阿波罗”飞船送往月球的NASA“土星五号”火箭，以及后续“阿尔忒弥斯”计划中航天员重返月球所用的“太空发射系统”（该火箭能产生数千吨的推力，并将一百余吨的有效载荷送入太空）。

　　太阳能霍尔效应推进器在NASA真空舱中的实验照片

　　图片来源：NASA

　　但是，如果有这么一种推进系统：它的推力小于0.5公斤，喷气速度却能达到约每小时30万公里；它的制造成本更低，需要的燃料更少，而载荷更大。那又该如何选择呢？

　　这种推进系统被称为太空电推进系统。相比于化学推进系统，太空电推进系统能够节约90%的燃料（也被称为推进剂）从而节省大量经费，同时为航天任务提供更加灵活多样的选择。

　　太空中的牛顿第三定律

　　化学推进中使用燃料和氧化剂，它们发生剧烈的化学反应，将存储在化学键中的能量释放出来，从而产生短暂而巨大的推力。化学火箭发动机通俗地讲就是在控制“爆炸”，它发出的巨大轰鸣声令人激动，却无法掩盖它效率低下的缺点。

　　电推进系统使用来自太阳能电池阵列（太阳能电推进）或者核反应装置（核电推进）的能量产生推力，从而消除了推进剂能量存储有限的缺点。

　　电推进系统中，电能通过转化首先用于电离气体推进剂，例如氙气和氪气（这可不是超人故乡氪星的东西）。然后，利用电推进系统中的静电场（离子推进器）或者电场和磁场（霍尔效应推进器）加速电离的气体使其高速喷出，通过长时间的加速使航天器达到很高的速度。从电推进系统中喷出的不是火焰，而是像很多科幻场景中一样发着蓝光的运动轨迹。

　　电推进系统工作原理的简单图解

　　图片来源：NASA

　　飙车比赛VS漫长旅程

　　使用化学推进的航天器是从地球轨道驶向目的地的顶级燃料快车。它最初的爆发力非常强大，但是它只能向工作时所指的单一方向运动。燃料耗尽后，航天器就会像子弹一样运动，几乎没有加速、减速或者改变飞行方向的能力。因此，深空探测一般被局限在特定的发射窗口和离轨时间，在太空飞行过程中也只能进行最小程度的轨道修正。

　　电推进航天器只要在太空就能开始工作，仅受气瓶中气体容量限制。电推进系统的初始推力很小，但是可以支持航天器持续数月甚至数年时间的加速。此外，电推进系统还能灵活用于减速和改变运动方向。

　　NASA的“黎明”号就是一个很好的例子。航天器发射后加速向小行星带中的灶神星运动。由于航天器上的太阳能电池阵列很小，到达那里需要花费五年以上的时间，随着航天器接近小行星，航天器翻转180度并点燃推力器花费了一年的时间用于减速和入轨。完成任务后，“黎明”号点燃推力器又飞到了谷神星，直到今天它还在谷神星轨道上运行。化学推进的航天器是不可能做到这一点的。

　　像“黎明”号这样的电推进系统在NASA和其它商业航天领域得到了广泛使用，电推进系统的功率通常在1到10千瓦范围内。科学家准备将电推进运用于更复杂的科学和技术任务，以及首次运用于载人任务中。这些任务的实现都需要更多的电能。

　　为了航天员，需要更多能量

　　深空门户上的能量和推进单元（PPE）将在月球轨道上验证先进的大功率太阳能电推进系统。这个航天器拥有60千瓦发电功率，其中50千瓦用于推进，使得它的功率将比当前电推进航天器高4倍。但这不是通过一台大型电推进器实现的，而是将多个推进器与太阳能电池阵列组合实现的。