等離子發(fā)動(dòng)機(jī)

電推進(jìn)系統(tǒng)的一種等離子發(fā)動(dòng)機(jī)01簡(jiǎn)介分類發(fā)展問(wèn)題工作原理只差一步目錄03050204基本信息等離子發(fā)動(dòng)機(jī)是電推進(jìn)系統(tǒng)的一種，并已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用相當(dāng)成熟，其應(yīng)用的主要介質(zhì)就是等離子體。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過(guò)磁場(chǎng)，來(lái)反向驅(qū)動(dòng)航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介在科幻小說(shuō)中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動(dòng)力。但在現(xiàn)實(shí)中，火箭推進(jìn)器的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。相對(duì)于裸露在外的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，化學(xué)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)看上去很小，但它的胃口很大。“吃得多，干活的效率卻不高?！睆埜Ａ终f(shuō)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)吞噬掉的海量能源，只在提供短期動(dòng)力方面有效——儲(chǔ)存的燃料很快用完，推進(jìn)器馬上被當(dāng)成垃圾扔掉?；瘜W(xué)火箭的大部分燃料被用來(lái)擺脫地球引力，剩余的一點(diǎn)則被用來(lái)推動(dòng)火箭的“太空滑行”。火箭飛往目的地，僅僅是依靠慣性。對(duì)于星際飛行來(lái)說(shuō)，這種引擎顯然力不從心。“土星5號(hào)”就是典型代表。它的第一級(jí)裝有2075噸液氧煤油推進(jìn)劑。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，它可以在2分34秒內(nèi)全部“喝”完這些“飲料”。高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，卻僅僅夠?qū)?7噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產(chǎn)生的3500噸推力中，很大一部分被用來(lái)“拖”起火箭自身和2000多噸燃料。所以它的“比沖量”并不高，只有300多秒，表明了它的推進(jìn)效率的低下。這就是為什么要將一個(gè)質(zhì)量很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大火箭的原因。等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，或者俗稱的“離子推進(jìn)器”采取了一種和化學(xué)火箭完全不同的設(shè)計(jì)思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過(guò)磁場(chǎng)，來(lái)反向驅(qū)動(dòng)航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。工作原理工作原理主要工作機(jī)理是:在發(fā)動(dòng)機(jī)的陽(yáng)極和陰極間施加軸向的電場(chǎng)，由帶電線圈產(chǎn)生徑向方向的磁場(chǎng)，電子被磁場(chǎng)束縛，做周向的hall漂移，與通道內(nèi)的中性原子碰撞，產(chǎn)生離子，離子被電場(chǎng)加速高速噴出從而產(chǎn)生推力。由于離子的質(zhì)量與電子的質(zhì)量相比較大，離子的運(yùn)動(dòng)幾乎不受磁場(chǎng)的影響。

分類分類航天的系統(tǒng)分為化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)兩種系統(tǒng)，中國(guó)幾乎都是使用的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)。但是電推進(jìn)比化學(xué)推進(jìn)有以下的優(yōu)點(diǎn)：1、電推進(jìn)不受化學(xué)推進(jìn)劑可釋放化學(xué)能大小的限制。經(jīng)驗(yàn)表明一般化學(xué)推進(jìn)劑的能量為70MJ/kg。電推進(jìn)不受這些限制，它理論上可以達(dá)到任何能量。2、電推進(jìn)的比沖比化學(xué)推進(jìn)的比沖高很多由于電推進(jìn)比化學(xué)推進(jìn)的比沖大得多，所以它所需的推進(jìn)劑將會(huì)少的多，從而增加衛(wèi)星的有效載荷，提高衛(wèi)星性能和效益。但是電推進(jìn)也有它的缺點(diǎn)，比如它僅能應(yīng)用于小推力系統(tǒng)。低推力、高比沖的性質(zhì)使得電推進(jìn)的主要應(yīng)用為:位置保持、重定位和姿態(tài)控制。對(duì)一些在軌推進(jìn)的任務(wù)，電推進(jìn)有明顯的優(yōu)勢(shì)。它可以獲得比化學(xué)推進(jìn)更準(zhǔn)確的姿態(tài)和化學(xué)控制。對(duì)一些重定位的任務(wù)，重定位的速度會(huì)更快并且能量消耗也更少。30年前，在哥斯達(dá)黎加出生，有1/4華人血統(tǒng)的張福林（FranklinR.ChangDiaz）還在麻省理工大學(xué)攻讀等離子物理學(xué)博士學(xué)位時(shí)就這么認(rèn)為。到了2009年6月，作為前航天員兼物理學(xué)家，AdAstra火箭公司創(chuàng)始人、首席設(shè)計(jì)師，張福林帶領(lǐng)著團(tuán)隊(duì)成功測(cè)試了VASIMR的第一節(jié)引擎后，對(duì)這一觀點(diǎn)更加堅(jiān)定。VASIMR，全功率可變比沖的磁等離子體火箭（Variable-specific-impulsemagnetoplasmarocket），盡管離最終完善仍有距離，但已經(jīng)在航天界中引起了巨大反響。只差一步只差一步建造VASIMR就是張福林在20世紀(jì)70年代提出的主意。它能同時(shí)具有化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和離子發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擁有高推力、低比沖，離子發(fā)動(dòng)機(jī)則是低推力、高比沖。而VASIMR，它能在高推力、低比沖和低推力、高比沖之間的自由轉(zhuǎn)換，在這兩者之間調(diào)整參數(shù)，所以被稱作“可變比沖”。張福林一直致力于該項(xiàng)目研究，但之后的20多年里他忙于作為宇航員7次進(jìn)入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了AdAstra火箭公司，試驗(yàn)場(chǎng)就在他的出生地哥斯達(dá)黎加附近的航空中心。突破性成果在2008年到來(lái)，這就是VX-200等離子引擎測(cè)試臺(tái)，它利用氬氣作為推進(jìn)劑的第一階段達(dá)到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統(tǒng)的等離子發(fā)動(dòng)機(jī)：比沖在3000~秒之間隨意轉(zhuǎn)換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)67%。張福林說(shuō)：“用它飛到火星只需39天，這樣能節(jié)省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長(zhǎng)時(shí)間的宇宙射線輻射?！盫X-200分為三部分：在前部單元里，首先是把噴出的氣體電離生成等離子體，類似于在蒸汽機(jī)里燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線（heliconRFantennas）來(lái)實(shí)現(xiàn)；中部單元充當(dāng)放大器，它用電磁波的能量進(jìn)一步把等離子體加熱到幾百萬(wàn)度；而尾部單元的磁性噴嘴可將等離子體的能量轉(zhuǎn)化為噴氣口的速度，從而產(chǎn)生反向的推力。張福林解釋說(shuō)，VX-200使用了新的算法來(lái)控制和穩(wěn)定等離子體，主要是控制超導(dǎo)磁場(chǎng)。通常來(lái)說(shuō)，火箭發(fā)射時(shí)噴射氣體溫度越高，比沖量就越高。為最大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當(dāng)于太陽(yáng)中心的溫度。發(fā)展問(wèn)題發(fā)展問(wèn)題核動(dòng)力還是太陽(yáng)能？“VASIMR最終將是一個(gè)核電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?！睆埜Ａ终J(rèn)為，因?yàn)槟壳白詈玫膭?dòng)力來(lái)源就是核反應(yīng)堆。等離子發(fā)動(dòng)機(jī)需要超長(zhǎng)的持續(xù)電力供應(yīng)，用核裂變反應(yīng)堆為VASIMR提供電力，能很輕松地將人們帶到火星，使用的燃料比化學(xué)火箭少很多，飛行時(shí)間也會(huì)少很多。這要求攜帶一個(gè)電力供應(yīng)裝置。但是VASIMR的主要買家NASA卻始終對(duì)它的動(dòng)力源守口如瓶。他們所說(shuō)的能源方式是使用一個(gè)巨大的太陽(yáng)能電池板。但電池板的效率不夠高，如果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VASIMR最多也就200千瓦。對(duì)太陽(yáng)能電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以增加太陽(yáng)能的利用效率，唯一可預(yù)期的方式是使用納米技術(shù)，但需要多久才能發(fā)展出能實(shí)用、可靠的技術(shù)呢？還沒(méi)有答案。唯一的選擇就是使用核電系統(tǒng)，NASA的表態(tài)可能是考慮到安全問(wèn)題，以及公眾的“談核色變”?！昂苊黠@，核裂變只要設(shè)計(jì)正確，操作維護(hù)認(rèn)真，是可以安全運(yùn)行的?！盫ASIMR研究項(xiàng)目小組的負(fù)責(zé)人對(duì)使用核技術(shù)并不回避，他說(shuō)：“V