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電火箭如何馳騁在空間 核能電火箭未來新趨勢
http://it.dbw.cn   2016-02-24 15:55:04
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  ▲最早使用電推進系統的美國“深空1號”。

  ▲美國“黎明”號小行星探測器上的氙離子推力器。

  ▲我國研制的霍爾推力器(左)和離子推力器。

  新聞背景

  日前,中國航天科技集團五院502所成功研制出我國首個磁聚焦霍爾推力器。它采用新一代霍爾推力器技術,代表著目前國際上的主流發展方向,較國外同類產品,在比衝、效率等方面性能指標可提昇20%以上。

  到了太空上,電火箭獨具優勢

  霍爾推力器,名字聽上去很高冷,其實它是電推進系統中的一種,而電推進系統又是火箭的一種。它有個很通俗的名字,叫電火箭。

  電火箭與目前發射航天器用的化學火箭不同。化學火箭是通過推進劑催化反應或氧化劑燃燒劑反應產生高溫,將推進劑加熱後噴出;電火箭不使用化學燃料,而是用電能加熱或電離推進劑,使其加速噴射而產生推力。

  或者這麼說吧,化學火箭是推進劑本身發生化學反應產生能量,並利用這種能量推動火箭。而電火箭,推進劑本身是不產生能量的,它是利用外部電能轉換為推進劑噴射動能,並推動火箭。

  兩種火箭都要消耗推進劑,不過消耗量有很大區別。對於同樣的宇航任務,電火箭效率高,它消耗的推進劑約為化學火箭的1/10甚至更少。其電能由飛行器提供,一般由太陽能、核能或化學能經轉換裝置得到,目前主要是用太陽能,所以又叫太陽能電火箭,有些國家正在研制核能電火箭。推進劑常用氫、氮、氬或鹼金屬的蒸氣等。

  還有一個與此相關的概念叫比衝,就是消耗單位質量推進劑所能產生的衝量,比衝越大,意味著推進技術性能越高,其大小則主要取決於推進劑的噴出速度。如前所述,電火箭的比衝要比化學能火箭大得多,此外,它還有高效率、省燃料、振動小、低成本、長壽命和較安全等一系列優點。電火箭發動機更是具有壽命長的優點,可起動上萬次,累計工作上萬小時。

  電火箭有這麼多優點,但也有一個巨大的缺點,就是推力小,一般小於100牛。所以,如果指望用電火箭把航天器從地面發射到太空上,是萬萬不可能的,目前發射航天器還只能是化學火箭顯身手的地方。但是一旦到了太空上,情況就大大不同了,對於航天器的姿態控制、位置保持、變軌和星際航行等工作,電火箭有著化學火箭不可比擬的優勢,不過,利用電火箭變軌時所需要的時間比化學火箭長許多。

  研發幾十年,全電推進已成熟應用

  其實,電推進理論早在20世紀初期就已問世,但由於技術比較復雜,所以直到20世紀50年代末,一些國家纔開始電推力系統的工程研究。至今,全世界約有數百顆人造地球衛星和空間探測器等,使用過或正在使用電推進系統。

  化學火箭噴射動能受限於推進劑化學內能的約束,推進劑噴出速度有限,約為2?4千米/秒;電火箭打破了這一約束,噴出速度可達15?80千米/秒,很容易實現比化學推進高一個量級的比衝性能。理論和實踐都證明,電火箭比目前標准的化學火箭的效率大10倍,它完成同樣任務所需的推進劑就少,從而可以增加航天器的有效載荷,或者增加推進劑攜帶量以延長航天器的使用壽命。它能將航天器的有效質量提高到90%左右,是目前世界最先進的空間推進技術。

  目前,1顆15年壽命的高軌道通信衛星大約重5噸,其中化學燃料重量就達3噸,若采用全電推進方案,就能使衛星“瘦身”至2.5噸,讓通信衛星用更小、更便宜的火箭發射。另外,全電推技術可大大延長通信衛星的壽命,燃料攜帶量將不再成為衛星壽命的約束,通信衛星的設計壽命將普遍突破目前15年的上限,達到18?20年。

  近些年來,電推進系統發展很快,僅就2015年來說,中國航天科技集團五院510所研制的首個星載200毫米離子電推進系統地面壽命及可靠性試驗累計工作時間已超過11000小時,具備衛星在軌可靠運行15年的能力,這標志著我國自主研制的電推進系統達到國際先進水平,將全面邁入工程應用階段,能夠滿足我國通信衛星系列平臺、高軌遙感平臺以及深空探測器的發展需求。

  2015年最重要的電推進系統成果是,3月2日,由美國制造的世界首批全電推進商業通信衛星成功發射,衛星用離子推力器完成了全部軌道轉移和位置保持等任務,這標志著全電推進技術實現成熟應用,也意味著衛星的技術發展和應用空間正發生著重大變革。

  電能轉動能,兩種推進方式更受青睞

  根據把電能轉換為推進劑動能的加速方式不同,電火箭可以分為電熱式、靜電式、電磁式三大類,每一類還可分為多種型式。

  電熱式推力器是利用電能加熱推進劑(如?、氨、氫等)使其氣化,經噴管膨脹加速、噴出產生推力。其比衝為700?1000秒。

  靜電式推力器是把推進劑(如汞、銫、氫等)從貯箱經過電離室電離成離子,在靜電場力作用下加速形成射束,噴射而產生推力。其比衝為8500?20000秒。

  電磁式推力器是利用電磁場對等離子體產生洛倫茲力的原理,使處於中性等離子狀態的推進劑加速以產生推力。其比衝為5000?25000秒。

  當前,應用比較廣泛並比較成熟的電推進系統有兩種,即電磁式推力器中的霍爾推力器和靜電式推力器中的電子轟擊式離子推力器。這兩種推力器在本質上是一樣的,都是用電能將惰性氣體氙氣電離,形成由離子和電子組成的等離子體,離子在電場作用下加速噴出,產生推力。

  不同的是,離子推力器的電離區和加速區分離,所以推力器效率更高,比衝更高,消耗推進劑更少,缺點是技術復雜,電源種類多,尺寸、重量較大;霍爾推力器的電離區和加速區是合一的,因而技術簡單,電源種類少,尺寸、重量較小,可靠性更高,缺點是比衝低。兩者各有優勢。

  目前,美國波音公司和日本衛星主要采用離子推力器,美國勞拉、洛馬和歐洲泰雷茲-阿萊尼亞、空客等公司主要采用霍爾推力器。

  延伸閱讀

  核能電火箭未來新趨勢

  目前,電推進系統已得到廣泛應用。當前在軌運行的應用電推進系統的航天器大約有100個左右,其中離子推力器累計工作時間約20萬小時,霍爾推力器累計工作時間約近10萬小時。它們主要應用於包括地球靜止軌道衛星的位置保持、空間探測器的變軌等方面。

  2001年7月,歐洲發射的“阿特米斯”衛星因發射它的運載火箭故障,衛星沒有進入預定軌道,最後靠衛星上的電火箭經過18個月的軌道轉移最終到達預定軌道。2010年8月美國發射的先進極高頻衛星1號也因衛星化學火箭出現故障,最後靠衛星上的電火箭在14個月內完成了幾乎全部的軌道轉移任務。

  2003年5月,日本發射的“隼鳥”號小行星采樣探測器在化學火箭出現故障的情況下,用4臺離子推力器完成對近地小行星的采樣返回。

  2007年9月,美國發射的“黎明”號小行星探測器用3臺離子推力器作為主發動機,先後對灶神星和谷神星進行了探測。

  我國從1967年就開始了電火箭研究。1978年,中國航天科技集團五院510所研制的LIPS-80離子推力器獲得國家科技進步一等獎。2012年10月,我國實踐9號衛星發射昇空,對多種電推進技術方案的正確性、在軌工作性能、與航天器的相容性以及長期在軌工作能力進行了成功驗證,這意味著我國全電推進系統已經初步具備在軌應用能力。

  未來,我國的電火箭可用於地球靜止軌道衛星位置保持和軌道轉移、空間探測器和載人深空探測的主推進、低軌衛星的軌道維持、航天器的姿軌控等許多方面。國外目前正在研制采用核能電火箭的核動力載人火星飛船,以減少載人火箭來往火星的時間,減少宇宙輻射、長期失重對身體的影響,同時可以少帶生命保障物質。(謝博)

 
作者:    來源: 北京日報     編輯: 范洪軒
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