上火星有望了 NASA披露离子发动机新突破

文章作者:bianji3 | 2017-11-02
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           离子推力器,又称离子发动机,为空间电推进技术中的一种,其特点是推力小、比冲高,广泛应用于空间推进,如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。其原理是先将气态工质电离,并在强电场作用下将离子加速喷出,通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务。离子推力器具有比冲高、效率高、推力小的特点。与传统的化学推进方式相比,离子推力器需要的工质质量小,是已经实用化的推进技术中最为适合长距离航行的。离子推进器是一种动力装置,可为航天器提供动力。其性能为推力、比冲和效率,通常是在保证推力和比冲的条件下,用效率来评价其性能。

 

  据报道,日前,来自NASA和美国密歇根大学的工程师们公布了一个在离子发动机研发方面突破了纪录的测试,该离子发动机的设计初衷是让它实现带人类登上火星。

  这款被称之为“霍尔推进器”(Hall Thruster)的离子发动机是目前正在处于研发当中的三款“火星发动机”中的一款,它通过使用电场和磁场来离子化诸如氙气这样的气体,让它喷出离子,并进而产生出推动推进器前进的推力。

  相比传统的化学推进剂火箭,这项技术要更清洁、更安全,燃料利用率也更高,但它的缺点是它所产生的推力要相对小一些,加速度也小一些。

  “火星计划即将来临,我们已经知道霍尔推进器在太空中能够运行得很好,”X3离子推进器研发项目的首席工程师亚历克·加利莫尔(Alec Gallimore)这样说道。

  “无论是在燃料经济性方面,实现用最少的能量和推进剂在一年半载内完成设备的运送,还是在速度方面,更快地将飞船机组人员运送至火星,霍尔推进器都有待进一步的优化。”

  一些专家曾表示,霍尔推进器能在几周而不是几年内,将人送到火星。

  在日前进行的几场测试中,X3离子推进器打破了三项此前由其它霍尔推进器创下的纪录,这让实现载人火星计划的希望,又大了几分。

  此次主导X3离子推进器研发的科学家包括密歇根大学航天航空工程教授历克·加利莫尔和密歇根大学航天航空工程学院的院长罗伯特·J·弗拉希奇(Robert J. Vlasic)。

  霍尔推进器通过使用电场和磁场,非常快地加速少量推进剂(等离子体),形成等离子体射流,进而异常高效地提供太空飞船前进所需的推力。这一技术只需传统化学火箭运行所需燃料的一小部分,就可以将速度提升至最大。

  目前,摆在科学家们面前的最大挑战是如何让离子推进器变得更强大。

  这个代号为“X3”的新一代霍尔推进器是由来自密歇根大学、NASA和美国空军的科研人员们共同研发出的,它成功打破了此前另一台霍尔推进器所创下的纪录——它产生了5.4牛顿的推力,而上一代所创下的纪录是3.3牛顿。

  推力上的提升对载人火箭计划来说是至关重要的——这意味着更快的加速和更短的航行时间。

  X3还将此前运行电流的纪录翻了个倍(250安培vs 112安培),并略微提高了运行功率(102千瓦 vs 98千瓦)。

X3推进器是目前正处于研制当中的三种“火星发动机”中的一种,该项目受到了NASA资助。

  来自密歇根大学航天航空工程学院的一名博士生斯科特·霍尔(Scott Hall)和一位名叫哈尼·卡马拉(Hani Kamhawi)的NASA科学家,在NASA格伦研究中心(Glenn Research Center)进行了这些测试。

  这几场实验让科研人员们五年多来的搭建、测试和改进工作迎来了高潮。

  专注于研发太阳能电推进系统的NASA格伦研究中心,具备美国目前唯一一个能操作X3推进器的真空实验室,这主要是因为X3推进器产生的排气太过巨大,以致其它真空室的真空泵都无法承载得起,强行实验的话,X3推进器尾部喷出的疝气就会冲回等离子体羽流,让扰乱实验结果。

  鉴于目前任何承受台都无法承担X3推进器的实验,霍尔博士还专门搭建了一个特制的推力承受台,来承受X3推进器500磅的重量以及它所产生出的推力。

  “最重要的时刻是当你关上了真空室的门,并抽空了里面的空气,”霍尔这样评论道。“如果让我去预测的话,我觉得这个推进器将成为将人类送上火星的基石。”

  在经过20小时的抽空空气,完成太空环境的营造后,霍尔和卡马拉每天都会花上12个小时来测试这台X3推进器。

  接下来,X3将被整合进洛克达因公司(Aerojet Rocketdyne)开发出来的电源系统。洛克达因是一家火箭和导弹推进器制造商,它目前已经得到了NASA的授权,将主导该项工程推进器系统的研发。

  在2018年春季的时候,霍尔预期将回到NASA格伦研究中心,在洛克达因公司电源处理系统的配合下,对X3推进器进行为期100小时的测试。

  因为X3离子推进器相比传统化学火箭更节省燃料,X3离子推进器将成为探索火星、小行星和太阳系边缘地区的理想选择。

  目前,密歇根大学“探索合作下一代太空技术”项目(NextSTEP)的工程师们已经成功地造出了X3推进器的原型机。这个离子发动机是洛克达因公司推出的XR-100推进系统的一部分,在未来的10年里,它将驱使太空飞船飞行火星。

  在未来的3年里,将给洛克达因公司提供650万美元的资金用于研发代号为XR-100的新型推进系统。

  这个由亚历克·加利莫尔教授研制出的X3离子推进器是这套XR-100系统的核心,加利莫尔所带领的推进器研发团队因此也将获得100万美元的奖励。

  这个XR-100系统正面临着两个另外两个推进方案的激烈竞争。

  这三套方案都依赖于喷射等离子体——等离子是一种物质的能态,在这种状态下,电子和离子同时存在——从而推动推进器的前进。

  X3离子推进器的核心技术——霍尔推进器——已经被用于操控绕地轨道卫星的运行。

  “作为对照,目前在地球轨道运行的功率最大的霍尔推进器的功率是4.5千瓦,”加利莫尔教授这样解释道。

  对一颗卫星的轨道或方向调整来说,这一个功率是足够用的,但对运输人类探索太空深处所需的大批货物来说,这一功率又显得捉襟见肘了。

  霍尔推进器的工作原理是通过加速等离子,让它以极高的速度向后喷射出去,从而给推进器施加了一个前进的推力。

  这一过程的开始是让电子绕着一个圆形通道流动。这趟旋转“旅行”从位于排气端的负极开始,到位于通道内侧的正极结束。在这一过程中,电子们会“跑进”原子堆(通常是疝气)里,电子和原子的碰撞,会将疝原子钟的电子“撞走”,让疝原子变成带正电的粒子。

  这些电子的旋转运动同时也会生产一个强大的电场,将疝气离子从通道排气端中拉扯了出来。

  “当它们被离子化的时候,疝原子能以最高30000米每秒的速度射出,这相当于每小时65千米,”加利莫尔教授这样说道。

  X3离子推进器拥有三个这样的通道,每个都只有几厘米深,它们以同心环的方式相互嵌套,这种嵌套方式让这个霍尔推进器能以200千瓦的功率运行。

  在加利莫尔教授实验室工作的斯科特·霍尔博士将使用这笔NASA提供的资金来对这台X3推进器进行一系列的电池测试。

  首先,他将在密歇根大学的等离子体和电力推进实验室(Plasmadynamics and Electric Propulsion Lab)将这台X3离子推进器的运行功率提升至60千瓦,然后在NASA格伦研究中心继续将功率提升至200千瓦。

  与此同时,另一位名叫莎拉·屈松(Sarah Cusson)的博士生将继续对X3进行进一步的改进,让X3目前仅为1年多一点儿的使用寿命,延长至现在的5到10倍。

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