空间

等离子发动机的兴起

在某些卫星上已经使用过的电力推进系统,现在正用于更雄心勃勃的太空飞行中。毫无疑问,这对于将来的远距离任务至关重要。

埃德加·乔伊里(Edgar Choueiri) 科学N°379
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独自在行星际空间冰冷的寂静中,黎明 美国航空航天局 旋转经过火星,朝着小行星带旋转。它的任务是研究小行星维斯塔(Vesta)和谷神星(Ceres),这是行星胚胎中最大的两个残留物,它们在大约45.7亿年前相撞并凝集在一起,诞生了今天的行星。

但是,这项任务不仅在目标方面引人注目:2007年9月起飞的“黎明”探测器使用了一种新技术,即电推进。电动推进器或等离子电动机通过使用电场或磁场产生然后加速离子化气体来产生推力。常规火箭燃烧液体或固体推进剂。

如果Dawn任务的工程师选择了电动推进器,那是因为其出色的效率:将探测器推进小行星带,等离子发动机将仅消耗原燃料的十分之一。是化学火箭发动机所必需的。使用常规发动机,探头可能到达Vesta或Ceres,但不能同时到达两者。

在最近的成功中,电力推进计算了“深空1号”探测器对Borrelly彗星的造访。 美国航空航天局 日本探测器Hay鸟试图降落在小行星丝川上,以及该探测器绕月球旅行 聪明-1来自欧洲航天局(埃萨)。

凭借其优势,这项技术已开始成为将太空探测器发送到遥远目标的最佳选择,太空任务计划人员现在正转向电动机探索外行星。

然而,电动推进已经研究了数十年,并且已经在太空中用于其他任务了一段时间。从开始 xx e 一个世纪以来,火箭发动机的先驱者推测了使用电力推动航天器的可能性。但是,正是美国太空计划之父温恩·冯·布劳恩(Wernher von Braun)团队的一员恩斯特·斯图林格(Ernst Stuhlinger)在1950年代中期将这个想法付诸实践。 美国航空航天局 开发了第一台功能性电动火箭发动机;该发动机于1964年在半小时的亚轨道飞行中成功进行了测试。

燃料量决定了任务的成本

在此期间,苏联的研究人员也在研究电力推进,到1970年代,这项技术已用于苏联卫星,以校正卫星的轨迹和方向。

从常规火箭弹的缺点中可以明显看出电动机的优点。在科幻电影中,通常会看到飞船在太空中裸奔,从其喷嘴逃逸出一长串火苗。实际上,远征是在没有引擎的情况下进行的,它大部分是在飞行的最初几分钟内消耗掉的,推进器则在其余的过程中“飞走”。当然,确实是化学火箭从地面发射了所有探针,而其他火箭则允许校正了轨迹。但是它们不适合在远距离旅行的过程中推进太空船。这将需要大量的燃料。但是,一次任务的成本主要由将必要的燃料质量送入轨道的成本来决定:将一公斤物质提升到地球轨道上实际上要花费近16,500欧元!

为了在不增加燃料的情况下实现高速行驶和长距离行驶,大多数空间波都利用了“重力弹弓”效果。当飞船靠近行星时,影响

它的引力速度使其加速并偏离其轨迹。通过正确地操纵,我们可以将引力脉冲传达给探测器,并因此而从一个行星跳到另一个行星,从而使其无需花费燃料即可到达太阳系的范围。但是,这些曲折的轨迹使加速行星经过了较长的弯路-有时长达数年-并施加了相当狭窄的射窗,在此期间,天体的形状适合于重力吊索。

此外,经过数年到达目的地之后,装有化学火箭发动机的船只不再具有足够的推进剂来制动。由于无法减速以使其自身绕目标飞行,因此无法在那里进行长时间观察,因此该探测器注定会与目标物体发生隐身相遇。实际上,在经过九年多的旅行之后,2015年,New Horizo​​ns对 美国航空航天局 它将仅花费24小时仔细观察它的目标矮行星冥王星,然后超越它并朝着太阳系的边缘前进。

是否可以改进化学火箭发动机以使其适合远距离任务? “火箭方程式”表明这可能很困难。这个方程式是由1903年俄国君士坦丁·齐奥科夫斯基(Constantin Tsiolkovski)提出的,它是火箭之父之一,用于计算特定任务所需的推进剂质量。

火箭按照喷气发动机的原理工作:凭借动量守恒原理,火箭通过沿相反方向高速发射一部分质量来向一个方向加速。

火箭方程式表示的是火箭速度的变化(或更笼统地说,是克服惯性和进行机动所需的努力),称为增量-v,取决于质量喷射速度(或逃逸速度)以及车辆初始质量与其在操纵结束时的质量之比。换句话说,该方程式反映了一个直观的事实,即我们发射推进剂的速度越快,到达的速度就越快。

给定速度。对于给定的技术,产生固定的排气速度,这种关系反映了消耗的推进剂质量所需的速度增加。三角洲v 因此,必需品可以看作是执行任务成本的量度。

常规的化学火箭提供相对较低的排气速度,“仅”为每秒三到四公里。这足以使它们成为问题。此外,火箭方程表明,与燃料相对应的初始车辆质量分数随δ呈指数增加。 v,从而减少了专门用于仪器(尤其是科学仪器)的部分。

等离子提供更高的喷射速度

例如,要从低地球轨道前往火星,您必须获得一个v 大约每秒4.5公里有了化学推进剂火箭,所需的推进剂便占据了船舶质量的三分之二以上。要进行更雄心勃勃的外行星旅行,这需要三角洲-v 在每秒35至70公里的数量级中,化学火箭的推进剂有望超过99.98%。目标越远,带有化学推进剂的火箭就越不适合。

一种解决方案是成功地将排气速度提高十倍,但是这个目标似乎是不现实的。获得高的排气速度需要非常高的燃烧温度。但是,温度受化学反应释放的能量和喷嘴壁的阻力的限制。

另一方面,电动推进具有很高的排气速度,因此,v 对于低油量很重要。电动推进的原理是以非常高的速度产生并加速等离子体(带电粒子的气体)以产生推力。等离子体是通过向中性气体提供能量(例如,使其经受强电场)而产生的。输入的能量将电子从原子中拉出,使它们带正电荷,而电子自由移动(这使离子化气体成为极好的导体)。然后,通过向其施加合适的电场或电磁场,使由带电粒子组成的等离子体沿所需方向加速。必要的磁场可以通过线圈或通过流过等离子体的电流来创建。

等离子电机所需的电能可以由太阳能电池板提供,就像探针一样 黎明或 聪明-1。但是对于火星以外的任务,当太阳能变得太弱时,将有必要依靠由放射性同位素分解释放的热量供能的热电发电机。对于更雄心勃勃的任务,有必要召集核裂变反应堆。

目前已经开发出了三种类型的等离子引擎,可用于远程任务。最常见的是离子引擎。它是美国太空推进先锋罗伯特·戈达德(Robert Goddard)于一个世纪前首次想到的,它基于静电场对正离子的加速作用。氙气被注入电离室,并经常被磁铁加速的电子轰击以产生等离子体。然后,等离子体的正离子通过两个带电门之间的电场向后加速。因此,离子发动机可以实现每秒20至50公里的排气速度。

积聚在发动机中的电子-仅喷射正离子-以电流的形式收集并在等离子线中重新注入到外部。这样可以重新建立其电中性,从而防止正离子在喷嘴出口处被吸引到容器上,从而减小推力。

发动机已经运转

如今,有数十种离子发动机在运行,其中大部分是在对地静止卫星上运行的,用于维持轨道的稳定性和控制姿态。与化学发动机相比,在燃料质量方面的节省可为每颗卫星节省数百万欧元。

1998年,“深空1号”探测器是第一个以每秒4.3公里的速度进行加速的航天器,该航天器通过电力推进将自己从低轨道的地球吸引力中解放出来。为此,她消耗了不到74公斤的氙气。迄今为止,这是航天器通过自身推进(与重力弹弓相对)实现的最大速度提升。黎明探测器应该通过以每秒十公里的速度增加速度来打破这一记录。来自美国喷气推进实验室的工程师 美国航空航天局 最近证明,离子电动机可以连续运行三年以上,而不会出现问题。

等离子发动机的性能不仅取决于粒子逸出的速度,还取决于产生的推力。电动机的极低消耗有一个缺点:它们产生非常低的推力。对于最强大的原子,每单位时间射出的原子质量确实为每秒5毫克。 Deep Space 1引擎每天仅消耗250克氙气。结果,推力很低:约为0.1牛顿,或相当于一张纸的重量!此限制对于所有类型的等离子电动机都是常见的。

另外,离子电动机受到“电荷极限”的影响:正离子在静电门之间积累,并限制了专门用于等离子体加速的电场强度。

因此,离一级方程式赛车很远,离子引擎更接近于需要两天才能达到每小时100公里的赛车。但是,只要我们准备等待足够长的时间(几个月),这些连续运行的电动机就可以传达出远距离行驶所需的高速行驶。这是因为在永久不施加阻力的空间真空中,即使永久性施加微小的推力也会导致高速旋转。

自1990年代初期以来,西方科学家就研究了产生更好推力的等离子发动机的另一种概念,在前苏联甚至更长的时间:霍尔效应发动机。

该系统将基于长期的任务而准备就绪,该系统基于埃德温·霍尔(Edwin Hall)在1879年发现的效果:穿过浸没在垂直磁场中的材料产生的电场会产生垂直于这两个场的电压。

霍尔效应电动机的原理如下:布置在内部圆柱体内并围绕外部圆柱体的线圈在由两个重叠的圆柱体形成的空腔中产生径向磁场。从腔体的底部注入氙气,同时在位于外部的阴极(负极)和位于腔体底部的阳极(正极)之间施加电场。来自阴极的电子被磁场捕获,并通过霍尔效应在中心圆柱周围产生圆形(或方位角)电流。这些霍尔电流将使氙离子化,并通过它们与径向磁场的相互作用而产生(洛伦兹)力,该力将向外形成的正离子排出。

根据可用的电力,排气速度可以达到每秒50公里。静电栅的不存在使得可以获得更高密度的喷射离子流,并且避免了电荷限制的问题。 ous

sée因此高于离子引擎。已经有200多个霍尔效应发动机在绕地球轨道运行的卫星上飞行,霍尔效应推力器用于推动小型欧洲探测器的飞行 聪明-1绕月球。

工程师现在正在尝试增加霍尔效应电机的尺寸,以实现更大的电功率,从而提高排气速度和推力。这项工作还旨在延长其使用寿命(探测电动机 聪明-1在太空中连续运行了5600小时(创纪录),并且已经在实验室成功进行了将近两倍的测试)。

普林斯顿大学等离子体物理实验室的研究人员朝这个方向前进,方法是在霍尔效应电动机的壁上植入电极,以使内部电场失真,从而更好地聚焦电子束的输出光束。等离子体。这种结构减少了推力的非轴向分量(因此是不必要的),并通过使等离子体远离电离室的壁来提高使用寿命。德国工程师通过作用在磁场上也获得了类似的结果。斯坦福大学的研究人员通过在其上涂上人造金刚石,提高了墙壁对等离子体腐蚀的抵抗能力。通过这些改进,毫无疑问,从长远来看,霍尔效应引擎将在遥远的任务中占据一席之地。

目的:增加血浆流量

获得推力的一种方法是增加加速等离子体的量。但是在霍尔效应推进器中,当等离子体密度增加时,电子会更多地与原子和离子碰撞,因此它们难以承载加速所需的霍尔电流。 。

一种替代方法是放弃圆形霍尔电流,而采用在推进轴上与电场对齐的电流,因此,与原子碰撞的干扰较小。这是磁等离子体动力马达(推进剂)的原理。 mpd, 要么 mpdt)。

一般而言,推进剂 mpd 由插入一个较大的圆柱形阳极的中央空心阴极组成。将中性气体注入由两个电极形成的空腔中,并通过在阴极和阳极之间流动的强大的径向电流(几千安培)将其电离。该电流在中央阴极周围感应出一个方位磁场。这个场与电流相互作用,感应电流产生一个

轴向洛伦兹力,它使等离子体向后加速。

因此,磁等离子体动力推进器的排气速度可达到每秒15至60公里,推力超过十牛顿,也就是说,是普通离子发动机的100倍。但是,其运行需要的功率总计数百千瓦,甚至是兆瓦,这需要使用核能源。推进器 mpd 还具有可操纵的优点,其排气速度和推力可通过改变电流强度或燃料喷射而容易地调节。

这种电动机的性能主要受电极腐蚀的限制,但也受等离子体中功率的不稳定性和功耗的限制。如此多的技术挑战导致了新一代的发动机 mpd 它使用在电离室中蒸发的锂或液态钡作为燃料。这些元素容易电离,从而限制了等离子体中的能量损失和阴极的加热。此外,通过改变电流与表面的相互作用,在阴极中蚀刻的沟道显着地限制了其腐蚀。所有这些创新无疑将很快导致可操作的磁等离子体动力电动机。

兔子和乌龟

离子,霍尔效应和 mpd, 只是电力推进概念的三个变体。即使这些是最成功的,也已经研究了许多其他相关设备,并且现在或多或少都可以使用。有些是脉冲电动机,有些则连续运行。一些通过放电产生等离子体,其他一些则使用磁感应或微波。等离子体加速机制也各不相同:洛伦兹力,电流表,电磁波引导等。

在所有情况下,电动推进器提供的推力和加速度将保持低于常规火箭的推力和加速度。但是,等离子动力船将能够更快地到达遥远的目的地,并逐渐加速到更高的速度,而不必为寻求“引力推动”而长时间走弯路。最先进的等离子引擎概念可以每秒100公里的速度传递V值。诚然,将航天器带到遥远的恒星仍然太慢,但足以在合理的时间内访问外行星。有点像拉封丹寓言中缓慢但稳定的海龟,满足于短时爆发的野兔的胜利,在太阳系内的长途飞行中将普遍使用电力推进。 

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