星際旅行的發(fā)動(dòng)機(jī)離子發(fā)動(dòng)機(jī)

1、星際旅行的發(fā)動(dòng)機(jī)離子發(fā)動(dòng)機(jī)看過星球大戰(zhàn)的朋友都會(huì)對(duì)帝國的領(lǐng)結(jié)式戰(zhàn)斗機(jī)有印象，而領(lǐng)結(jié)式(TIE)這個(gè)名字就來自雙離子引擎的縮寫(Twin Ion Engine)，離子發(fā)動(dòng)機(jī)在科幻作品中相當(dāng)常見，經(jīng)常被用作小型飛船的引擎。但和我們要介紹的其它種類發(fā)動(dòng)機(jī)不同的是，離子發(fā)動(dòng)機(jī)是一種現(xiàn)實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在今天，除了傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外，就屬離子發(fā)動(dòng)機(jī)在宇航中的應(yīng)用最廣。星球大戰(zhàn)帝國領(lǐng)結(jié)式戰(zhàn)斗機(jī)離子發(fā)動(dòng)機(jī)的能量來自電力，可以來自太陽能電池板，或者核電池，通過從發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴射出陽離子來推動(dòng)飛船前進(jìn)，所以離子發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式也被叫做電力驅(qū)動(dòng)方式。目前的離子發(fā)動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)是推重比太小，其推力只相當(dāng)于一張紙對(duì)于你的

2、手的壓力，顯然這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)無法讓飛船和探測器脫離地球的重力場，也無法攜帶大的負(fù)載。但這個(gè)缺點(diǎn)卻被這種發(fā)動(dòng)機(jī)在太空中的表現(xiàn)彌補(bǔ)了，由于它優(yōu)越的比沖量，它最終能把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在身后。換句話說，就是盡管傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有更高的推重比，但是卻以很低的比沖量把燃料在很短的時(shí)間內(nèi)消耗光；而現(xiàn)在的離子發(fā)動(dòng)機(jī)能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)好多個(gè)月甚至數(shù)年，這樣，盡管推力小，但能通過長時(shí)間的積累達(dá)到更高的總沖量(impulse，等于力的平均值與它的作用時(shí)間相乘的結(jié)果)，并最終達(dá)到更高的速度。提到離子發(fā)動(dòng)機(jī)，就不能不提美國的深空1號(hào)探測器。雖然離子發(fā)動(dòng)機(jī)過去在衛(wèi)星上經(jīng)常使用，但都是作為輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，用于姿態(tài)調(diào)整或者軌道維持；而

3、深空1號(hào)第一次將離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主發(fā)動(dòng)機(jī)使用。深空1號(hào)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)也是迄今為止將電能向推力轉(zhuǎn)化效率最高的，在太空中運(yùn)行壽命最長的，也是比沖量最高的，比沖量超過3,000秒。深空一號(hào) 這種離子發(fā)動(dòng)機(jī)追根溯源可以推到上個(gè)世紀(jì)的60年代，但到現(xiàn)在仍可以滿足美國宇航局的兩個(gè)目標(biāo)，也就是大大減少旅程時(shí)間和初重，以低成本更快地完成行星際任務(wù)。而1998年10月24日發(fā)射的深空1號(hào)探測器的任務(wù)除了測試12項(xiàng)先進(jìn)科技(其中包括作為主發(fā)動(dòng)機(jī)的離子發(fā)動(dòng)機(jī))，就是為了完成探測小行星Braille和遙遠(yuǎn)的彗星Borrelly這樣的行星際任務(wù)。在圓滿完成任務(wù)后，深空1號(hào)于2001年12月18日報(bào)廢。深空一號(hào)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)

4、構(gòu) 上圖就是深空1號(hào)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖。離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作的核心就是對(duì)噴出的氣體進(jìn)行離子化，這一般是以電子轟擊的方式來實(shí)現(xiàn)。通過加熱和電場加速的方式將電子從陰極向陽極發(fā)射并進(jìn)入放電室，氣體推進(jìn)劑氙同樣被注入放電室，并在放電室施加磁場，增加氙原子和電子碰撞的可能性。碰撞后，氙原子核周圍的部分電子將被擊開，使得氙原子被電離，帶上正電。這種離子非?；钴S并且移動(dòng)得非?？?。位于放電室后邊的高壓柵極將最后產(chǎn)生推力，方式是制造靜電場，對(duì)離子生成拉力讓它們向柵極方向加速，當(dāng)它們通過后，速度將達(dá)到每秒31.5公里，并被集中成一個(gè)離子束最終從飛船尾部噴出去，下圖就是深空1號(hào)尾部噴射出的藍(lán)色離子火焰。需要注意的是，在最

5、后階段一個(gè)中和器收集多余的電子并把它們注入噴出的離子束，這樣可以避免飛船被帶上大量的負(fù)電荷。深空一號(hào)噴出的藍(lán)色離子火焰深空1號(hào)探測器是美國宇航局新千年項(xiàng)目的第一艘飛船，它的離子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量是3,300秒，每天消耗100克氙推進(jìn)劑，在發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，每過一天時(shí)速就增加25-32公里。深空1號(hào)由德耳塔火箭送上太空，然后由離子發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)。最初發(fā)動(dòng)機(jī)只開動(dòng)了4小時(shí)就突然停機(jī)，但后來恢復(fù)了運(yùn)轉(zhuǎn)并從此一直順利運(yùn)行，其最終的工作時(shí)間超過14,000小時(shí)，超過了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的總和。而最初發(fā)射深空1號(hào)時(shí)，只計(jì)劃運(yùn)轉(zhuǎn)200個(gè)小時(shí)以證明這種離子發(fā)動(dòng)機(jī)是可行的。美國宇

6、航局在地球上實(shí)驗(yàn)室中，和深空1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的離子發(fā)動(dòng)機(jī)甚至持續(xù)工作了更長的時(shí)間。ION離子發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰，藍(lán)色深空1號(hào)離子發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式只是許多方式中的一種而已，這種方式被稱為Ion Engine，作為離子發(fā)動(dòng)機(jī)的代表，但使用電來產(chǎn)生離子漿并進(jìn)一步推動(dòng)飛船的具體方式還有好多：霍爾推進(jìn)器的火焰，綠色霍爾推進(jìn)器(Hall Thruster)：利用軸向電場(axial electric field)來加速離子。一個(gè)輻射磁場和軸向電場相互作用來產(chǎn)生方位角霍爾電流(azimuthal Hall current)，這個(gè)電流部分限制電子，讓放電室中電離化效率比較高。這是個(gè)在蘇聯(lián)發(fā)展成熟的技術(shù)，一般用于衛(wèi)星姿

7、態(tài)穩(wěn)定。MPD、PPT、VASIMR離子發(fā)動(dòng)機(jī)的火焰，粉色脈沖離子漿推進(jìn)器(Pulsed plasma thrusters，PPT) ：這種方式利用電流弧光，在固體推進(jìn)劑(幾乎總是用特氟隆)中產(chǎn)生快速而可靠的脈沖燃燒。PPT用于姿態(tài)控制效果很好，不過它是利用電來推進(jìn)的系統(tǒng)中效率最低者之一，推進(jìn)效率不到10%。磁致離子漿動(dòng)力推進(jìn)器(Magnetoplasmadynamic thruster，MPD)：也被稱為洛倫茲力加速器(Lorentz-force Accelerator，LFA)，它使用洛倫茲力(磁場和電場共同對(duì)帶電粒子施加的力)來推動(dòng)離子。MPD技術(shù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中被開發(fā)出來，但對(duì)它的商業(yè)興

8、趣很低，盡管在理論上它能產(chǎn)生極高的比沖量，因?yàn)樗虸on、Hall以及PPT方式不同，不使用電級(jí)，使用電級(jí)對(duì)離子進(jìn)行加速的方式會(huì)使噴出的加速流被位于出口的電子源中性化，從而減低效率。MPD可以穩(wěn)定運(yùn)行，也可以脈沖運(yùn)行?？勺儽葲_磁致離子漿火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket，VASIMR)：北京青年報(bào)2000年的一篇文章打造星際飛船新引擎把這個(gè)方式大大吹噓了一番，認(rèn)為是未來的方向。其實(shí)這種系統(tǒng)只是介于高推力低比沖的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和低推力高比沖的離子發(fā)動(dòng)機(jī)之間的類型，可以在這兩者之間調(diào)整參數(shù)。它也不用電極，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)前室使用電波來對(duì)氫推進(jìn)

9、劑進(jìn)行離子化，然后在中室用磁場讓其按自然頻率繞磁場旋轉(zhuǎn)，并使用無線電按照同一頻率轟擊，讓溫度上升到1千萬K，再從后室把旋轉(zhuǎn)變成軸向運(yùn)動(dòng)并釋放出去。最后，在離子化方面，日本設(shè)想用微波的方式來進(jìn)行，用微波來擊活推進(jìn)劑氣體的電子，之后就是和深空1號(hào)一樣把離子聚集成束并以靜電場加速噴射出去。美國宇航局也采用了日本人的辦法測試了新的微波離子發(fā)動(dòng)機(jī)，并得出結(jié)論認(rèn)為這種方式可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作得更久。上述各離子發(fā)動(dòng)機(jī)的共同特點(diǎn)都是使用電能，利用電來直接電離，或者用電來制造磁場、電波、微波等，然后用它們來對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行離子化。所以它們也被稱為電動(dòng)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。離子發(fā)動(dòng)機(jī)超長時(shí)間的持續(xù)工作固然是優(yōu)點(diǎn)，可以逐漸積累到很高

10、的速度，但這同樣是缺點(diǎn)，因?yàn)檫@要求超長時(shí)間的持續(xù)電力供應(yīng)。這要求攜帶一個(gè)電力供應(yīng)裝置，目前的方式是使用一個(gè)巨大的太陽能電池板，不僅加重重量，而且隨著探測器遠(yuǎn)離太陽，其效率也不斷下降。可以說，目前限制離子發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸因素就是電力，由于目前的太陽能電力系統(tǒng)缺乏效率，離子發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也就只能在低電能的基礎(chǔ)上進(jìn)行。如果我們想往外圍的深空繼續(xù)進(jìn)發(fā)，或者運(yùn)送更大的載重，就必須解決這個(gè)問題，獲得更大的電能，至少應(yīng)該達(dá)到以兆瓦計(jì)算的規(guī)模，而目前的深空1號(hào)最多僅僅能產(chǎn)生2.5千瓦，其中能提供給離子發(fā)動(dòng)機(jī)的是2.1千瓦。對(duì)太陽能電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以增加太陽能的利用效率，目前唯一可預(yù)期的方式是使用納米技術(shù)，但并不

11、知道需要多久才能發(fā)展出有用的技術(shù)。所以對(duì)于近期來說，唯一的選擇就是使用核電系統(tǒng)，目前的技術(shù)也能讓船載核電系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)百千瓦的電能，而且在不遠(yuǎn)的將來能發(fā)展到兆瓦的級(jí)別。在核電系統(tǒng)中，來自原子反應(yīng)堆的熱量可以通過熱電轉(zhuǎn)化方式或者熱離子轉(zhuǎn)化方式變成電能，這種辦法在上世紀(jì)60年代就被看作是可以讓人類開拓太陽系的技術(shù)，而這個(gè)方式也有可能提供一個(gè)低成本的系統(tǒng)用于太空商業(yè)化。離子發(fā)動(dòng)機(jī)的核電系統(tǒng)核電系統(tǒng)比太陽能電力系統(tǒng)產(chǎn)生更高的電力，從而可以讓離子發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更高的推力，更高的比沖量。雖然推力仍舊比不上傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那么高，但比沖量方面的優(yōu)勢則很明顯，傳統(tǒng)的化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖量是大約400秒上下，深空1

12、號(hào)通過太陽能電力系統(tǒng)獲得的比沖量在3,300秒左右，而利用核電系統(tǒng)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到13,000秒。由于電力充足，核電系統(tǒng)可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)和儀器分享和調(diào)配電力。當(dāng)儀器不需要電力的時(shí)候，可以把全部的電力都送給發(fā)動(dòng)機(jī)，但需要讀取、檢測、發(fā)送信息時(shí)，可以關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)，把電力都調(diào)給儀器。這就提供了節(jié)約大量重量的可能性。而最大的好處自然是核電系統(tǒng)即使遠(yuǎn)離太陽也不影響工作效率，從而能在深空工作。今年9月又有消息，對(duì)于核能的熱電轉(zhuǎn)換率又找到更好的辦法可以進(jìn)一步提高。美國加州大學(xué)在洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos)工作的科學(xué)家利用一種稱為傳送波發(fā)動(dòng)機(jī)(traveling-wave engine)的概念，可

13、以將熱量轉(zhuǎn)換成電能的效率從過去的7%提高到18%。這意味著同樣的核反應(yīng)堆提供的電力能夠增大一倍半。目前的核發(fā)電機(jī)是使用熱電轉(zhuǎn)換方式(thermoelectric)而新辦法使用熱聲轉(zhuǎn)換方式(thermoacoustic)，具體做法是將氦氣送過一疊322個(gè)不銹鋼金屬絲網(wǎng)制成的碟子，它們被叫做交流換熱器，交流換熱器同熱源連接。而吸熱設(shè)備則讓氦氣膨脹和收縮，這樣的膨脹和收縮能產(chǎn)生強(qiáng)大的聲波，這就如同大氣層中閃電會(huì)導(dǎo)致熱膨脹從而產(chǎn)生雷聲一樣。震蕩的聲波在發(fā)電機(jī)中就驅(qū)動(dòng)活塞，產(chǎn)生電流。如前所述，用這樣的熱聲電方式產(chǎn)生的電流比熱電方式效率更高。在核電系統(tǒng)方面，我們需要取得的進(jìn)展不僅是需要高效率，以獲得兆瓦級(jí)別的電力，還需要制造出質(zhì)量輕的電力系統(tǒng)。而最主要的缺點(diǎn)是需要對(duì)核輻射進(jìn)行保護(hù)，以確保船上的成員和載貨不受輻射以及來自反應(yīng)堆的高熱的影響，這將會(huì)增加船體重量。羅塞塔彗星探測