不一樣的航天推進系統_風聞

观察者网用户_244575-2020-11-18 08:35

2020-11-18

　　作者：吉米·羅素（Jimi Russell）

　　翻譯：陳杰

　　校對：黃雪妮

　　審閲：牧夫天文校對組

　　編排：簡稚珉

　　後台：庫特莉亞芙卡、李子琦、徐⑨坤

　　原文鏈接：

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

　　自從太空計劃開始以來，人們就痴迷於龐大且有力的火箭。國外典型的大火箭有將“阿波羅”飛船送往月球的NASA“土星五號”火箭，以及後續“阿爾忒彌斯”計劃中航天員重返月球所用的“太空發射系統”（該火箭能產生數千噸的推力，並將一百餘噸的有效載荷送入太空）。

　　太陽能霍爾效應推進器在NASA真空艙中的實驗照片

　　圖片來源：NASA

　　但是，如果有這麼一種推進系統：它的推力小於0.5公斤，噴氣速度卻能達到約每小時30萬公里；它的製造成本更低，需要的燃料更少，而載荷更大。那又該如何選擇呢？

　　這種推進系統被稱為太空電推進系統。相比於化學推進系統，太空電推進系統能夠節約90%的燃料（也被稱為推進劑）從而節省大量經費，同時為航天任務提供更加靈活多樣的選擇。

　　太空中的牛頓第三定律

　　化學推進中使用燃料和氧化劑，它們發生劇烈的化學反應，將存儲在化學鍵中的能量釋放出來，從而產生短暫而巨大的推力。化學火箭發動機通俗地講就是在控制“爆炸”，它發出的巨大轟鳴聲令人激動，卻無法掩蓋它效率低下的缺點。

　　電推進系統使用來自太陽能電池陣列（太陽能電推進）或者核反應裝置（核電推進）的能量產生推力，從而消除了推進劑能量存儲有限的缺點。

　　電推進系統中，電能通過轉化首先用於電離氣體推進劑，例如氙氣和氪氣（這可不是超人故鄉氪星的東西）。然後，利用電推進系統中的靜電場（離子推進器）或者電場和磁場（霍爾效應推進器）加速電離的氣體使其高速噴出，通過長時間的加速使航天器達到很高的速度。從電推進系統中噴出的不是火焰，而是像很多科幻場景中一樣發着藍光的運動軌跡。

　　電推進系統工作原理的簡單圖解

　　圖片來源：NASA

　　飆車比賽VS漫長旅程

　　使用化學推進的航天器是從地球軌道駛向目的地的頂級燃料快車。它最初的爆發力非常強大，但是它只能向工作時所指的單一方向運動。燃料耗盡後，航天器就會像子彈一樣運動，幾乎沒有加速、減速或者改變飛行方向的能力。因此，深空探測一般被侷限在特定的發射窗口和離軌時間，在太空飛行過程中也只能進行最小程度的軌道修正。

　　電推進航天器只要在太空就能開始工作，僅受氣瓶中氣體容量限制。電推進系統的初始推力很小，但是可以支持航天器持續數月甚至數年時間的加速。此外，電推進系統還能靈活用於減速和改變運動方向。

　　NASA的“黎明”號就是一個很好的例子。航天器發射後加速向小行星帶中的灶神星運動。由於航天器上的太陽能電池陣列很小，到達那裏需要花費五年以上的時間，隨着航天器接近小行星，航天器翻轉180度並點燃推力器花費了一年的時間用於減速和入軌。完成任務後，“黎明”號點燃推力器又飛到了穀神星，直到今天它還在穀神星軌道上運行。化學推進的航天器是不可能做到這一點的。

　　像“黎明”號這樣的電推進系統在NASA和其它商業航天領域得到了廣泛使用，電推進系統的功率通常在1到10千瓦範圍內。科學家準備將電推進運用於更復雜的科學和技術任務，以及首次運用於載人任務中。這些任務的實現都需要更多的電能。

　　為了航天員，需要更多能量

　　深空門户上的能量和推進單元（PPE）將在月球軌道上驗證先進的大功率太陽能電推進系統。這個航天器擁有60千瓦發電功率，其中50千瓦用於推進，使得它的功率將比當前電推進航天器高4倍。但這不是通過一台大型電推進器實現的，而是將多個推進器與太陽能電池陣列組合實現的。