吸氣式電推進首次點火成功_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：陳杰

校譯：徐鵬暉

編排：葛明紅

原文鏈接：

https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/World-first_firing_of_air-breathing_electric_thruster

歐空局領導的團隊於2018年3月完成了吸氣式電推進的研製工作，併成功完成了該類推力器世界首次點火。這種電推進裝置攝取大氣層邊緣稀薄大氣中的分子作為推力器的工質。實驗的成功意味着，衞星在超低軌道持續運行數年成為可能。

歐空局用於重力場測量的GOCE衞星， 採用了電推進裝置來持續補償空氣阻力，因而能夠在250km的低軌上運行四年時間。然而，GOCE衞星的壽命受限於它攜帶的作為工質的40kg氙氣，當氙氣使用完以後衞星的任務也就結束了。

與衞星自身攜帶工質不同，使用大氣層中的中性分子作為工質，能夠創造出一類能夠在超低軌道上長時間運行的新型衞星。

吸氣式空間任務示意圖

吸氣式電推進裝置不僅能夠在地球軌道上使用，也能應用於其它星球的大氣層邊緣。例如，在火星上可以使用火星大氣層中的二氧化碳作為工質。

歐空局的Louis Walpot説道：“這個計劃的創新設計在於，它能夠在約200km高度的地球大氣層邊緣，以7.8km/s的速度收集空氣中的分子作為推力器的工質”。

實驗設備

意大利的Sitael公司研製了用於測試這個概念的完整推力器，並且在該公司一個能夠模擬200km高度真空環境的真空艙中進行了實驗。

試驗中還使用了一台粒子流產生裝置，用來模擬高速來流分子。這些分子會被吸氣式電推進的新型進氣道和推力器捕獲。

推力器上沒用活動的和複雜的部件，每個部分都依據簡單的原理運行着。該推力器所需要的僅僅是產生磁場的線圈和推力器電極所需要的電能，這些能量用來產生極其強勁的阻力補償體系。

吸氣式電推進裝置原理圖

這項技術的挑戰在於，要設計一種新型的進氣道。它能夠收集空氣中的分子並將其壓縮，而不是簡單的將空氣中的分子彈開。

推力器的進氣道由波蘭的QuinteScience公司設計，由進氣道收集的原子被電離，使得它們能夠被電場加速噴出，從而產生推力。

置於真空艙內的推力器

而Sitael公司設計的雙級推力器相比於傳統電推進設計，能夠確保來流空氣能夠更好地被電離和加速。

Louis補充道：“團隊利用計算機模擬了使用不同進氣道時，推力器中粒子的運動情況。但是，只有實際的測試才能讓我們瞭解進氣道和推力器結合在一起後能不能正常工作。”

試驗中，工作人員沒有通過測量進氣道出口粒子密度來檢驗進氣道的設計，而是將進氣道與推力器連接，以驗證進氣道確實能夠收集空氣分子，並將其壓縮到能夠使推力器正常點火的程度。實驗中還測量了推力器產生的推力。

以氙氣為工質時推力器工作圖

首先，該實驗團隊驗證了推力器在以氙氣為工質的情況下，能夠收集粒子束產生器提供的氙氣，並重復點火。

Louis解釋道：“接下來，我們將部分氙氣工質替換成氮氧混合氣體。當推力器的羽流從純氙氣時的藍色變為粉紅色時，就證明我們成功了。”

最後，這套推進系統在以空氣為工質的情況下成功的重複點火，證明了這種推進方法的可行性。

以空氣為工質時推力器工作圖

實驗結果意味着吸氣式電推進不再只是一種理論，而是切實可行的、將會被髮展的可以工作的推力器。這將會被用作未來新型任務的動力基礎。

該計劃在歐空局地球觀測計劃的支持下，得到了歐空局技術研究計劃的贊助，旨在開發有空間應用前景的新思路。

『天文時刻』 牧夫出品

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圖源：NASA, ESA, Hubble, Subaru Telescope, W. Cramer (Yale) et al., M. Yagi, J. DePasquale