前面耽误了 20 年,后面恶补了 20 年,终于可以跟美帝掰掰腕子了。
为了方便大家理解,先来介绍一下,什么是「霍尔推进器」。
一定有很多朋友听说过离子发动机、光子发动机……
咱们先给这些充满科幻色彩的概念划一条边界。
截止今天为止,人类所有的火箭发动机,都是依靠向外扔东西产生的反作用力获取动力,学术点说就是动量守恒定律。
现有的物理理论,对引力空间的认识水平和神棍差不多,完全不存在动量守恒之外的发动机原理。
因此在很长一段时间内,发动机还得靠扔东西产生动力,扔得越快,动力越大。
非常抱歉,混了这么多年还是牛顿第三定律。
火箭极限
所以,但凡想上天的发动机,都是围绕「如何更快地扔燃料」而设计的。
比如飞机发动机,为了扔得更快,就拼命倒燃料,燃烧需要空气,于是就在发动机里装了一台抽风机。
但是空气的含氧量只有 20%,就算抽风机把空气压缩成液体塞到燃烧室里,
其实也没多少氧气,所以燃料喷射速度并不快,只有每秒几百米,这对火箭来说简直就是塞牙缝。
火箭发动机自带纯氧,燃烧当然更充分,燃料喷射速度能达到 2-5km/s。
可惜这么多年过去了,最好的燃料依然还是液氢液氧,想要更快,就得用炸药了。
炸药的爆炸速度一般是 7km/s,不过用炸药当燃料,一般人可吃不消。
总的来说,如果不考虑尚未实用的全氮阴离子盐,这大概就是化学燃料的极限了。
说得有点抽象,我来秀一把硬核计算。
假设把 20 吨货送到近地轨道,不考虑空气阻力、势能和火箭干重:
若燃料喷射速度是 600m/s,则需 1000 万吨燃料,注意,是 1000 万吨。
这是飞机发动机的水平。
若燃料喷射速度是 2.5km/s,则需 451 吨燃料。
这是当前主流火箭的及格线。
若燃料喷射速度是 5km/s,则需 77 吨燃料。
接近当前化学燃料的理论极限。
若燃料喷射速度是 30km/s,则需 6 吨燃料。
霍尔推进器的喷射速度。
若燃料喷射速度是 300km/s,仅需 534 公斤燃料。
据说这是仅靠现有技术就能压榨出的离子发动机的全部潜力。
不过理论上,只要电压足够大,离子可以无限接近光速,
比如对撞机能把粒子加速到光速的 99% 以上,若是把这当成发动机喷射燃料的速度……
把 20 吨货送到近地轨道,仅需 532 克燃料。
前景算是很美好了,下面该倒苦水了。
离子发动机
你可能想不到,像离子发动机这么科幻的设备,居然在 1959 年 NASA 的考夫曼就搞出来了。
其大概原理和电磁炮差不多:
先将汞注入电离室,
然后电子枪注入电子,用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子,
汞离子呈正电,用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力。
在出口附近再装一把电子枪,向离子束注入电子,使其中性化,恢复成原子。
不然带电离子会沾满整个航天器,发动机内部也会积累电子产生静电,各种麻烦。
简单来说,前面用电子枪电离,后面用电场加速,原理一目了然。
不过考虑到推进效率和腐蚀性,现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙。
1998 年美国「深空 1 号」彗星探测器,首次将离子发动机,作为主力推进系统,应用在深空飞行,
发动机自重只有 8 公斤,仅携带 82 千克氙就进行了 20 个月的飞行。
电离不一定非得用电子轰击,
比如把盐扔到水中就可以得到氯离子和钠离子,
还比如,微波也可以直接电离气体。
2019 年有个大新闻,日本隼鸟二号探测器在 3 亿公里外的小行星成功取样,用的就是微波离子发动机,采用微波电离。
在小行星降落、采样、上升,一气呵成。
离子推进器的原理和结构并不复杂,但问题也很多。
比如后面正负极的加速格栅就很碍事,不但效率不行,还得经受高速离子的冲击腐蚀,对材料要求贼高。
于是,大家就想起了霍尔。
相比原理单纯的离子推进器,霍尔推进器的原理就有些烧脑了,同学们看出点感觉就行。
先说下霍尔效应:电流在磁场中通过时,电子或离子会横向移动,导致导体有个横向的电势差。
就好像长江水流有个横向的作用力,使南岸的水位比北岸的高。
这样的好处是,当电子(负电)和离子(正电)混在一起时,可以利用霍尔效应分开,做到一边电离一边加速。
也就是说,霍尔推进器把电离部分和加速部分合到了一起,也就是把磁场和电场合到一起,舍弃了原先碍事的加速格栅。
为了让混在一起的电子和离子各司其职,磁场和电场的设计显然更为精巧,喷口从一面筛子变成了一个环形结构。
八仙过海
离子推进器和霍尔推进器是最主流的两类应用,两者差别一目了然。
原理再调整一下,还能分出很多类型,
比如:脉冲等离子体推进器、磁等离子体推进器、电弧加热推进器等等。
基本思路都是先把原子电离,只是电离手段有所不同,然后用电场把离子轰出去。
不过说实在的,因为本质上都是折腾离子,所以笼统地称为「离子推进器」也没什么不妥。
还有,发动机、推力器、推进器,只是叫法不同,都是一个意思。
离子推进器有个优点是不挑食,容易电离的原子都可以作为推进剂。
氙是当前主流推进剂,但人家毕竟是稀有气体,很金贵的。
所以其他推进剂也很热门,如锌、氮、碘、镁等。
这么看起来形势还不错啊,为啥离子推进器以前没咋听说呢?
这当然是因为你孤陋寡闻嘛!
积跬步至千里
离子推进器,虽然喷口速度比化学发动机快一个数量级,但喷出来的东西实在太少,算到最后推力实在小的可怜,
所以都用「毫牛」做单位,和放屁的力气差不多。
因此从地面到太空还得靠化学火箭,到了太空才是离子推进器的舞台。
1998 年美国深空 1 号,离子发动机喷口速度接近 30km/s,
但工作一整天只能喷 100 克燃料,仅仅给卫星增加了 10m/s 的速度,
算下来推力只有 90 毫牛,相当于 9 克的重量。
好在这玩意儿实在持久,累积工作了 14000 小时,
期间各种加速减速,与小行星你来我往,战功硕硕。
离子推进器其实算不上很黑的黑科技,深空飞行已经普遍采用。
一般而言,离地球 200 万公里开外就算「深空」,在这种地方,笨重的化学火箭就是根废柴。
2007 年美国的黎明号小行星探测器,3 台离子推进器,推力 92 毫牛,累积飞行 11 年 69 亿公里。
2018 年欧洲宇航局发射的水星探测器,4 台离子推进器,合计推力 290 毫牛,计划飞行 7 年 90 亿公里。
欧洲 SMART-1 尽管只是探测月球,也使用了离子发动机为主推进器。
还有从 3 亿公里外的小行星上取样品的隼鸟号,屁股上 4 台离子推进器格外醒目。
除了深空飞行,在地球附近的变轨爬坡,也不乏离子推进器的身影。
因为离子推进器靠电运用,所以也叫电推。
2015 年 SpaceX 发射了两颗全电推进的通信卫星,安装了 4 台离子推进器,推力 165 毫牛。
这俩卫星靠离子推进器爬到了 3.6 万公里高的同步轨道:
原本这类在地球附近的变轨都是化学火箭的业务,几小时就能完成,但要多带好几吨燃料。
离子推进器则相反,小巧玲珑成本低,但变轨过程要持续几个月。
显然,最近几年大伙的耐心是越来越好了,商业卫星采用全电推进的比例大幅上升。
离子推进器本就不高的门槛快被踏烂了:
美国的 XIPS 离子系列、BHT 霍尔系列,日本的μ微波系列,英国 T 离子系列,德国 RIT 射频系列,俄罗斯 SPT 霍尔系列……
如果说前面这些业务是从化学火箭手里抢的,那么下面这些活,凭的就是自己本事了。
大伙可能没想到,