达古冰川|离子发动机新突破！碘动力航天器完成在轨测试，成本降低百倍不止如梦|水底奥秘

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片
【达古冰川|离子发动机新突破！碘动力航天器完成在轨测试，成本降低百倍不止】

文章图片

文章图片

火箭作为利用反冲力推进，用以发射人造卫星、宇宙飞船、或装上弹头制成导弹的飞行装置，其实有着悠久的历史。例如早在三国时期，就开始使用引火物附在箭头上，然后射到敌人身上引起焚烧。
而现代火箭则是自身携带全部推进剂（通常是固体和液态化学燃料），然后在点火后通过火箭发动机喷射工质（工作介质），产生反作用力向前推进的飞行器。它不依赖外界工质产生推力，就可以在稠密大气层内，以及大气层外飞行。
然而这玩意虽然推力很大，却有个致命的缺点，那就是需要消耗太多燃料了。例如人类历史上最大的火箭“土星五号” ，起飞重量达 3000 多吨，最后送上月球的部分只有 45 吨，剩下的质量几乎都是燃料。
除此之外，随着卫星的工作寿命越来越长，为保持轨道定点位置，卫星所需的推进剂也越来越多，占用了太多有效载荷。再加上小卫星的兴起，使得人们对低消耗，高推进的推进器也提出了更急切的需求。
但重要的是，根据动量守恒原理，化学火箭发动机是依靠尾部喷射工质获得反推力运动的。所以要想减少燃料消耗又不降低推力，那就只能以更快的速度喷射工质才行。可人们发现，依靠化学燃烧的方式， 10km/s已经是火箭喷出物的速度“天花板” ，再难满足我们对航天探索的需求。
上图：离子推进器
好消息是随着科技的发展，现在又有了一种新的推进器，可以完美的解决这个问题，它就是离子推进器。其原理就是用电子轰击原子产生离子，然后通过电场加速离子，向后喷出获得推力，就像是粒子加速器的缩小版。目前，粒子加速器能产生人类所能达到的最高速度——299792455米/秒，也就是光速的99.9999991% ，只比光速慢了3米/秒。
离子推进器的体积小巧，甚至可以和家用扫地机器人差不多，但喷射速度却是化学燃烧推进器的十倍。也就是说，只要消耗十分之一质量的工质，就可以获得和化学火箭一样的推力。但它有个缺点，即高速运动的离子会和加速用的电极栅板碰撞，不但影响效率，还会产生腐蚀，因此用不了多久，电极板就报废了。
上图：离子推进器，正面是一个金属网栅，又称网格离子推进器。
因此，更高效的离子推进器——霍尔推进器诞生了。据悉，目前中国空间站核心舱就配备了4台霍尔推进器，它们可以从核心舱宽大的太阳能翼获得充足的电能。在跟神舟十二号对接前，就是靠它来完成维持轨道的工作。
上图：霍尔推进器，与网格离子推进器有所不同，它的正面是由陶瓷组成的凹槽。
霍尔推进器的离子产生区和加速区不再是分开的，而是将喷口处的负极板取消，做成敞口结构，这样既能达到加速离子的效果，又不会碰到极板，避免了腐蚀问题。同时利用霍尔效应，即通过磁场控制电子在电场中的运动，让它们老老实实地跟原子相撞，形成离子再喷出去，大幅度提高了离子的生成率。所以又被称为霍尔推进器。
上图：霍尔推进器原理图
一些较旧的离子推进器设计使用汞推进剂。然而，汞是有毒的，容易污染航天器。因此目前的离子推进器，所使用的比较理想的工质，主要就是氪（Kr）和氙（Xe），因为它们相对于其他物质而言，更容易与电子发生碰撞并电离，其次是电离后不易产生腐蚀性物质。