不一樣的航天推進系統_風聞
观察者网用户_244575-2020-11-18 08:35
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。
月球軌道上能量和推進單元示意圖
圖片來源:NASA
憑藉較高的燃料經濟性,這種先進的推進系統能夠支撐大約15年的月球探測任務。其軌道移動能力也將讓航天員可以在月球的任何地方着陸。
能量和推進單元作為“阿爾忒彌斯”月球探測計劃的一部分,將有助於推動大功率電推進系統相關的商業投資,比如用於火星探測的電推進系統。
下一站,火星
未來的火星運輸飛船將需要約400千瓦到2兆瓦的功率,才能讓航天員或者貨物在地球和火星之間運輸。此外,科學家們還在研究前往火星的新飛船和新推進系統方案,其中包括核電推進和化學推進混合方案以及核熱推進等新方案。
將航天員一日送達火星的火星載人艙及核推進系統示意圖
圖片來源:NASA
無論我們如何到達月球並最終到達火星,有一件事是確定的:太空探索是令人激動不已的!
『天文時刻』 牧夫出品
微信公眾號:astronomycn

圖片來源:知乎