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离子电推,必威登录平台器有了新动力

发布日期:2015年01月09日字体: 【大】【中】【小】

核心提示日前,我国电推进系统取得重要进展,由必威登录平台科技集团公司五院510所自主研制的首台200毫米离子电推进系统,地面寿命及可靠性试验验证累计工作时间达到6000小时,该试验证实了电推进系统可确保卫星在轨运行15年以上,将正式应用于“东方红三号B”卫星平台。这标志着中国的高轨道卫星平台拥有了世界一流的离子火箭发动机。

自此,我国首台200毫米离子电推进系统进入实用阶段,由科研正式转化为航天器型号产品。那么,什么是电推进系统?它与目前的化学推进系统相比有哪些优势?

电推进系统,也称电火箭发动机,是一种不依赖化学燃烧就能产生推力的设备。它的突出优点是不再需要使用固体或者液体燃料,省去了复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等,能大幅减少航天器的燃料携带量。

如果电推进系统完全取代化学燃料发动机,还能极大地简化航天器设计,降低发生故障的可能。与化学火箭相比,电火箭俱乐部的成员比较少。除我国之外,能研制并应用电火箭发动机的只有俄罗斯、美国、欧空局和日本。

航天先驱提出电推设想

虽然电火箭发动机听起来是一个充满科幻色彩的话题,但追本溯源,它已经有100多年的历史了。

早在1903年,俄罗斯著名科学家齐奥尔科夫斯基就发表了著名的论文《通过反作用设备实现宇宙飞行的研究》,该论文被视为现代宇宙探索事业的起点。当时的人们已经认识到,用克鲁克斯放电管可以把电子加速到很高的速度。到了1924年,他又在论文中指出:“电的力量是无限的,可以产生强有力的氦离子流,用于宇宙飞船。”科学巨匠的前瞻能力令人叹服,不过在这个问题上,齐奥尔科夫斯基慢了一步。

在大洋彼岸,还有一位火箭先驱。和齐奥尔科夫斯基相比,他是真正的科班出身,这就是美国人戈达德。1906年9月6日,戈达德在他的笔记本记中写下了这样一句话:“鉴于电子能以光速被释放出去的巨大可能,那么这种潜力还会增加,反作用会增强到什么程度?会不会发生辐射现象?”这被认为是电火箭发动机的开端,此后戈达德进行了一系列研究,并开始实际制造样机。

1913年,戈达德制造出一台设备,可以产生“带电粒子”,并获得了专利。1917年,戈达德再次获得专利,这次他发明的东西称为“产生带电气体射流的方式方法”。此后,戈达德根据1917年的专利制造了3台样机,前两台样机只是让气体射流带电,气体本身并不影响充电过程。第三台样机就完全不同了,它是世界上第一台静电离子加速器,被视为电火箭发动机的鼻祖。

此后,又有多位科学家对电火箭的原理和工程实现做了深入的研究。不过在这个时期,化学燃料火箭发动机也在迅猛发展。虽然化学火箭的比冲和喷射速度比不上电火箭,但总推力远超过后者,成为航天发射和空间飞行器姿态、轨道控制的主力。这种情况一直延续至今。

术业有专攻 星际航行显优势

电火箭发动机的主要问题是推力太小。对于航天发射来说,目前还没有它的用武之地。但作为卫星、飞船、星际探测器的姿态、轨道控制的推力器,以及星际航行的动力,电火箭发动机的优势是无可比拟的。因此,航天界也从来没有忘记电火箭发动机,一直在设法让它实用化。

1964年7月20日,电火箭终于得到了一试身手的机会,美国宇航局发射了名为“空间电火箭试验”的卫星。它被化学火箭发射到远地点4002公里的高度,然后启动了两台电火箭发动机。其中,第一台发动机采用了电子轰击原理产生离子流,工作了31分16秒,第二台发动机没能启动。4年之后,美国宇航局发射了“ 空间电火箭试验-II”卫星,进入了高1000公里的极轨道。两台电火箭发动机分别累计工作了2011小时和3781小时,重新启动300次。这两次试验的成果后来被用于1998年发射的“深空一号”探测器。

目前,离子推进器已经在星际航行中证明了自己的性能与可靠性。例如,2003年5月9日,日本发射了“隼鸟号”小行星探测器。“隼鸟号”在两年多的飞行期间,一直使用氙离子发动机航行。直到2005年8月28日接近小行星,“隼鸟号”的离子发动机已经累计工作了25800 小时,产生了1400米/秒的速度增量,消耗氙气22公斤。完成采样并回航时,“隼鸟号”的几个化学燃料姿态推力器全都发生故障,只能依靠离子发动机。

又如,2010年8月14日,AEHF-1卫星首星由美国联合发射联盟公司的宇宙神5火箭发射。但在卫星发射后的几天内,地面控制人员多次点燃液体燃料发动机失败。AEHF-1卫星造价10亿美元,如果滞留在转移轨道就属于完全损失。地面控制人员先利用星上的小型双组元推力器将轨道提高一些,然后依赖电推力系统连续推进数天、数周乃至数月,用它们微弱的推力给卫星积累出足够的速度增量,将其送入预定位置。在经过14个月、500多次机动后,AEHF-1终于在2011年10月24日抵达了地球同步圆轨道。

降低发射成本 未来日臻完善

今年,欧洲卫星公司的欧洲通信-115西B和亚洲广播卫星公司的ABS-3A即将发射入轨。这两颗卫星都是美国波音公司研制的全电推进卫星,它们在702大型平台上全面改用了电推力器,因为取消了化学燃料和化学发动机,重量大幅度下降到原来的一半左右,可以用中型火箭一箭双星发射。这对国际通信卫星市场造成的冲击是相当大的,这意味着用户只花费过去一半的钱就能发射卫星。

经过几十年的发展,人们提出了多种电火箭原理,其中最成功的是离子和等离子推力器,这也正是必威登录平台科技集团公司五院510所研制的电推进系统采取的技术路线。此外还有人提出过其他类型的电火箭,例如光子推进、质子真空等离子推进、电磁推进等。未来,深空探测等空间活动将继续成为众多航天技术的推动力,为了完成现在和未来的空间任务,电推进系统将会不断地完善,并发挥其独特的优势。(必威登录平台报飞天科普周刊)

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