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电火箭如何驰骋在空间 核能电火箭未来新趋势
http://it.dbw.cn   2016-02-24 15:55:04
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  ▲最早使用电推进系统的美国“深空1号”。

  ▲美国“黎明”号小行星探测器上的氙离子推力器。

  ▲我国研制的霍尔推力器(左)和离子推力器。

  新闻背景

  日前,中国航天科技集团五院502所成功研制出我国首个磁聚焦霍尔推力器。它采用新一代霍尔推力器技术,代表着目前国际上的主流发展方向,较国外同类产品,在比冲、效率等方面性能指标可提升20%以上。

  到了太空上,电火箭独具优势

  霍尔推力器,名字听上去很高冷,其实它是电推进系统中的一种,而电推进系统又是火箭的一种。它有个很通俗的名字,叫电火箭。

  电火箭与目前发射航天器用的化学火箭不同。化学火箭是通过推进剂催化反应或氧化剂燃烧剂反应产生高温,将推进剂加热后喷出;电火箭不使用化学燃料,而是用电能加热或电离推进剂,使其加速喷射而产生推力。

  或者这么说吧,化学火箭是推进剂本身发生化学反应产生能量,并利用这种能量推动火箭。而电火箭,推进剂本身是不产生能量的,它是利用外部电能转换为推进剂喷射动能,并推动火箭。

  两种火箭都要消耗推进剂,不过消耗量有很大区别。对于同样的宇航任务,电火箭效率高,它消耗的推进剂约为化学火箭的1/10甚至更少。其电能由飞行器提供,一般由太阳能、核能或化学能经转换装置得到,目前主要是用太阳能,所以又叫太阳能电火箭,有些国家正在研制核能电火箭。推进剂常用氢、氮、氩或碱金属的蒸气等。

  还有一个与此相关的概念叫比冲,就是消耗单位质量推进剂所能产生的冲量,比冲越大,意味着推进技术性能越高,其大小则主要取决于推进剂的喷出速度。如前所述,电火箭的比冲要比化学能火箭大得多,此外,它还有高效率、省燃料、振动小、低成本、长寿命和较安全等一系列优点。电火箭发动机更是具有寿命长的优点,可起动上万次,累计工作上万小时。

  电火箭有这么多优点,但也有一个巨大的缺点,就是推力小,一般小于100牛。所以,如果指望用电火箭把航天器从地面发射到太空上,是万万不可能的,目前发射航天器还只能是化学火箭显身手的地方。但是一旦到了太空上,情况就大大不同了,对于航天器的姿态控制、位置保持、变轨和星际航行等工作,电火箭有着化学火箭不可比拟的优势,不过,利用电火箭变轨时所需要的时间比化学火箭长许多。

  研发几十年,全电推进已成熟应用

  其实,电推进理论早在20世纪初期就已问世,但由于技术比较复杂,所以直到20世纪50年代末,一些国家才开始电推力系统的工程研究。至今,全世界约有数百颗人造地球卫星和空间探测器等,使用过或正在使用电推进系统。

  化学火箭喷射动能受限于推进剂化学内能的约束,推进剂喷出速度有限,约为2~4千米/秒;电火箭打破了这一约束,喷出速度可达15~80千米/秒,很容易实现比化学推进高一个量级的比冲性能。理论和实践都证明,电火箭比目前标准的化学火箭的效率大10倍,它完成同样任务所需的推进剂就少,从而可以增加航天器的有效载荷,或者增加推进剂携带量以延长航天器的使用寿命。它能将航天器的有效质量提高到90%左右,是目前世界最先进的空间推进技术。

  目前,1颗15年寿命的高轨道通信卫星大约重5吨,其中化学燃料重量就达3吨,若采用全电推进方案,就能使卫星“瘦身”至2.5吨,让通信卫星用更小、更便宜的火箭发射。另外,全电推技术可大大延长通信卫星的寿命,燃料携带量将不再成为卫星寿命的约束,通信卫星的设计寿命将普遍突破目前15年的上限,达到18~20年。

  近些年来,电推进系统发展很快,仅就2015年来说,中国航天科技集团五院510所研制的首个星载200毫米离子电推进系统地面寿命及可靠性试验累计工作时间已超过11000小时,具备卫星在轨可靠运行15年的能力,这标志着我国自主研制的电推进系统达到国际先进水平,将全面迈入工程应用阶段,能够满足我国通信卫星系列平台、高轨遥感平台以及深空探测器的发展需求。

  2015年最重要的电推进系统成果是,3月2日,由美国制造的世界首批全电推进商业通信卫星成功发射,卫星用离子推力器完成了全部轨道转移和位置保持等任务,这标志着全电推进技术实现成熟应用,也意味着卫星的技术发展和应用空间正发生着重大变革。

  电能转动能,两种推进方式更受青睐

  根据把电能转换为推进剂动能的加速方式不同,电火箭可以分为电热式、静电式、电磁式三大类,每一类还可分为多种型式。

  电热式推力器是利用电能加热推进剂(如肼、氨、氢等)使其气化,经喷管膨胀加速、喷出产生推力。其比冲为700~1000秒。

  静电式推力器是把推进剂(如汞、铯、氢等)从贮箱经过电离室电离成离子,在静电场力作用下加速形成射束,喷射而产生推力。其比冲为8500~20000秒。

  电磁式推力器是利用电磁场对等离子体产生洛伦兹力的原理,使处于中性等离子状态的推进剂加速以产生推力。其比冲为5000~25000秒。

  当前,应用比较广泛并比较成熟的电推进系统有两种,即电磁式推力器中的霍尔推力器和静电式推力器中的电子轰击式离子推力器。这两种推力器在本质上是一样的,都是用电能将惰性气体氙气电离,形成由离子和电子组成的等离子体,离子在电场作用下加速喷出,产生推力。

  不同的是,离子推力器的电离区和加速区分离,所以推力器效率更高,比冲更高,消耗推进剂更少,缺点是技术复杂,电源种类多,尺寸、重量较大;霍尔推力器的电离区和加速区是合一的,因而技术简单,电源种类少,尺寸、重量较小,可靠性更高,缺点是比冲低。两者各有优势。

  目前,美国波音公司和日本卫星主要采用离子推力器,美国劳拉、洛马和欧洲泰雷兹-阿莱尼亚、空客等公司主要采用霍尔推力器。

  延伸阅读

  核能电火箭未来新趋势

  目前,电推进系统已得到广泛应用。当前在轨运行的应用电推进系统的航天器大约有100个左右,其中离子推力器累计工作时间约20万小时,霍尔推力器累计工作时间约近10万小时。它们主要应用于包括地球静止轨道卫星的位置保持、空间探测器的变轨等方面。

  2001年7月,欧洲发射的“阿特米斯”卫星因发射它的运载火箭故障,卫星没有进入预定轨道,最后靠卫星上的电火箭经过18个月的轨道转移最终到达预定轨道。2010年8月美国发射的先进极高频卫星1号也因卫星化学火箭出现故障,最后靠卫星上的电火箭在14个月内完成了几乎全部的轨道转移任务。

  2003年5月,日本发射的“隼鸟”号小行星采样探测器在化学火箭出现故障的情况下,用4台离子推力器完成对近地小行星的采样返回。

  2007年9月,美国发射的“黎明”号小行星探测器用3台离子推力器作为主发动机,先后对灶神星和谷神星进行了探测。

  我国从1967年就开始了电火箭研究。1978年,中国航天科技集团五院510所研制的LIPS-80离子推力器获得国家科技进步一等奖。2012年10月,我国实践9号卫星发射升空,对多种电推进技术方案的正确性、在轨工作性能、与航天器的相容性以及长期在轨工作能力进行了成功验证,这意味着我国全电推进系统已经初步具备在轨应用能力。

  未来,我国的电火箭可用于地球静止轨道卫星位置保持和轨道转移、空间探测器和载人深空探测的主推进、低轨卫星的轨道维持、航天器的姿轨控等许多方面。国外目前正在研制采用核能电火箭的核动力载人火星飞船,以减少载人火箭来往火星的时间,减少宇宙辐射、长期失重对身体的影响,同时可以少带生命保障物质。(谢博)

 
作者:    来源: 北京日报     编辑: 范洪轩
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