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星球电台02期丨航天动力变革“电火箭”会取代传统火箭吗?

发布时间:2022-09-15 06:08:36 来源:od官网下载 作者:od最新版APP

详细内容:

  

  ●等离子体电推进器的原理是什么?利用电场或者电磁场,加热电离推进工质,再利用电场和电磁场把电离的工质等离子体进行加速,使得工质可以以极高的速度喷出,产生反作用推力。

  ●离子推进器、脉冲等离子体推进器、霍尔电推进器,有什么主要区别?离子推进器属于静电式推进器,一些脉冲等离子体推力器属于电热式推进器,霍尔电推进器属于电磁式推进器

  ●电推进火箭能否在未来实现人类火星探险?NASA的载人火星飞行计划开展了很多任务评估和工程设计,根据他们的数据利用超大功率电推进火箭只需39天就能到达火星,但仍处于想法阶段。

  ●我们的空间站为什么还带有化学能的火箭?技术和环境问题的双重影响需要携带化学燃料预防突发事件。

  爱立信、诺基亚前工程师;腾讯新闻[工研车间]账号主理人聂森:为什么要用电推进的发动机,它会取代我们现有的化学的动力吗?目前世界上的等离子体电推进器都用在什么样的航天器上?

  工学博士,大连理工航空航天学院助理研究员鹿畅:目前的等离子体电推进器已经在卫星、飞船、深空探测器等各种航天器上得到了应用。它对航天器的轨道转移、姿态控制、位置保持、阻力补偿等都起到了非常重要的作用。由于它远高于化学火箭推进的比冲优势。已经成为当前各国降低航天器质量,提高有效载荷延长在轨寿命的最有效途径之一。国际上已经将采用电推进系统作为衡量空间推进器先进性的一个关键标志。

  其中有两个标志性的事件。一个是2010年8月份美国洛马公司研制的先进极高频军事卫星AEHF在远地点发动机失效的情况下,被多模式霍尔电推进,成功拯救并确保了14年的预期寿命。避免了超过二十亿美元的损失。之后拉开了电推进卫星技术的发展。

  2015年美国空军实验室对外宣布,他们的轨道试验飞行器将在任务中采用这种新型的发动机--霍尔推进器,并且在飞行期间成功实现变轨机动。

  聂森: 目前在近地轨道的应用中,还没法将等离子体电推进器用在发射航天器入轨这一部分。科幻片中的场景,我们仅仅实现了一小步,那等离子体电推进器的原理是什么?

  鹿畅:等离子体电推进的更广泛的概念是电推进。电推进是指将电能或者电磁能转化为动能的动力装置,所以只要可以把电能或者电磁能转化为动能,就可以称它为电推进。所以像电动飞机,电动舰船,乃至电动汽车,都可以称为电推进。等离子体电推进一般专指航天器上采用的电推进动力系统,它是指利用电场或者电磁场,加热电离推进工质,再利用电场和电磁场把电离的工质,就是等离子体进行一个加速。使得工质可以以极高的速度喷出,产生反作用推力,这就是等离子体电推进的基本的工作原理。

  聂森:去年去珠海航展,看到展出了好几种推进器,其中包括刚才说的等离子体推进器,还有一种是脉冲等离子体推进器,还有霍尔电推进器,这三种有什么区别?

  鹿畅:这正好代表了电推进领域的三种主要类型。首先一些脉冲等离子体推力器属于电热式推进器。它其实类似热的快,将电能转化为热能,螺旋式的加热丝把气体或者是固体加热让它达到比较高的温度。所以电热式电推进也是最接近于传统化学推进的一种电推进方式。

  霍尔电推进器属于电磁式推进器,电磁式指等离子体及加速过程使用了电磁能。但是,通常带电粒子获得能量和电磁加速并非一个过程,一种推进方式也常伴随几种电磁加速过程并存,所以利用电磁加速的方式非常多,电磁式推力器种类也较多。

  为了弄清霍尔推力器的工作原理,我们需要知道霍尔推力器的结构。霍尔推力器有4大关键结构,分别是放电室,阳极,阴极和磁极。霍尔推力器的基本工作原理是这样的:首先,阴极发射的电子被磁场束缚,建立起强电场,强电场反向加速电子使电子具备高能量电离推进剂,同时该电场正向加速电离得到的离子产生推力。加速离子运动的电压一般在200-300V。可能大家想知道为什么它叫霍尔推力器,因为它在电离和加速过程中使用了霍尔效应,利用霍尔效应将等离子体中的电子和离子剥离,使电子被束缚在通道内,而离子则可以被静电场加速飞出去,从而形成推力。

  离子推力器是静电式推力器的一种。静电式推力器通常先用电能电离推进工质,然后通过具有极高电势差的栅极将离子加速。所以,离子推力器也称栅极离子推力器,其基本原理是利用直流、射频、微波等方式电离推进剂工质为等离子体,然后利用偏压栅极的电场将等离子体中的离子引出、加速,产生推力。由于栅极间的电压差极高(>

  1kV) ,可以在极短的距离内将离子加速到极高的速度,可高达3-40000m/s,百倍音速以上。

  鹿畅:第一个优势是它的比冲非常高,比冲就是指消耗每单位的推进剂产生的力量,一般用秒来表示,举个例子某个火箭发动机的比冲是320秒。那么该火箭发动机,每燃烧1000克的燃料就能产生320千克的推力。一般固体火箭比冲是250秒,液氢火箭比冲是450秒。而电推进的比冲一般在1000秒以上,可以提高一个量级。如果将比冲换算成速度,传统火箭的喷气速度一般在2千米每秒至6千米每秒,而电推进则可以达到20千米至30千米每秒。

  第二个优势是发射成本,极大的降低发射成本,中国商业航天发射报价每千克是5000到一万美元。猎鹰九火箭的发射报价约为每千克4600美元。如果一个航天器,原本重一吨,现采用电推进则可以节省90%的质量,再按每千克5000美元计算可节省450万美元,节省了一笔不小的开支。

  第三个优势是长寿命。常见的电推进器可以运行两万个小时以上进行长期的在轨运行任务。传统的化学火箭发动机的燃料消耗比较大,工作时间短。燃料一旦耗飞船的航天器只能依靠惯性运动,对于星际旅行,这种引擎显然力不从心。

  电推进最大的劣势就是推力非常小,常见的中等功率电推进器,它的推力一般在微牛到毫牛量级,电推进产生的力连一张A四纸都吹不起来。

  聂森:如果要把电推进器推力做大的话会很难吗?多个电推力器并联起来,它推力是不是就可以做的很大?这样能实用化吗?鹿畅:因为推力过小,如果几毫牛进行叠加,达到几个牛顿或者几百牛顿那需要几百甚至上千万个电推进器。

  要说电推进能不能把推力做的很大,那还真有这么个方案。瓦斯米尔火箭,中文名称叫可变比冲磁等离子级火箭,该想法源于可控核聚变。原理是当将核聚变等离子体温度加热达一千万摄氏度,甚至更高。尽管温度很高,但是可以采用特殊的磁场,将温度超高的等离子体与附近材料表面隔离,再加上合适的磁喷管,将等离子体的热能转化为动能,再转化为火箭推力。

  NASA以及国内已经研制出瓦斯米尔火箭,主要有三个部分构成。一个是前部螺旋波等离子体源将中性气体电离,一个是中央离子回旋共振加热装置,进一步加热等离子体。再采用磁喷管把等离体热能转化成他的动能加速。在离子回旋共振加热部分,还需要用到超高的磁场,所以瓦斯米尔火箭还用到了超导技术,以产生足够高的磁场。

  聂森: 脉冲式等离子体推进器,目前只存在于ppt和科幻电影里面吗?未来能够真的实现吗?

  鹿畅:第一种是脉冲等离子推进器,利用脉冲放电电弧,来电离或者分解这个推进工制。等离子体在放电过程中电流还会产生自感应电磁场,会将等离子体进行加速,用它自己产生的电磁场,加速喷出。第二种叫感应式脉冲等离子体推进器,先用线圈施加交流电,产生感应电场并在等离子体中产生电流,与此同时等离子体电流也会出现感应磁场,这个感应磁场与线圈排斥形成推力。

  此外,微推力器中微阴极电弧推力器也是一种脉冲式等离子推进器。我们大连理工大学航空航天学院夏广庆教授团队,在该款推力器上做了长时间攻关,我借机介绍一下我们团队的工作。我们团队研发的0.3U(1U的体积为10×10×10cm)微阴极电弧推进系统(μCAT)已交付多家商业航天公司,择机发射。

  聂森: 我们现在去火星利用现有的化学能火箭,以及Space X现在正在研制的星舰,单程也需要七个月。而且地球和火星每两年接近一次,单程七个月会造成在一次接近地火接近时立即返回,必须等到下一次过两年之后再回来。这就把人类的火星旅行推到两年以上,这对宇航员的心理、生理的要求几乎是无法实现,并且需要保证物资充足。所以电推进火箭能否在未来有可能会把人类去火星的时间大幅度缩短到地火接近的时刻就能够完成一次探险?

  鹿畅:星际旅行、火星探测都是运行周期极长的任务,从任务时间考虑,还必须采用电推进,用化学火箭到火星一般需要五到七个月。如果用电推进,可以将时间降低到两个月以内,但是耗时计算是没有将航天器的加速时间计算内。这是因为航天任务会有一个发射窗口期,一般是两年才有一次,在两个窗口之间利用电推进,进行长时间的做功。将航天器或者卫星加速到一个极高的速度,再让其进入地火转移轨道来执行任务。除此之外更理想的方案是采用传统的化学火箭,先加速到第一、第二或者第三宇宙速度再使用电推进进行长时间持续不断的缓慢加速,以达到极高的速度。

  NASA的载人火星飞行计划开展了很多任务评估和工程设计,如果是一台两百兆瓦的瓦斯米尔火箭,根据他们的计算,只需39天就能到达火星。只有用新型的火箭,才有可能实现人类经常性的火星探险的梦想。

  聂森: 巨型的电推力器,要喷出东西来和相反方向的一个动量,那么它也是需要携带工质的话,这种电推进器一般都携带什么工质呢?约需要携带多少呢?

  鹿畅:一般我们使用惰性单原子气体来作为它的工质,当然现在也在研究一些新的工质像是二氧化碳用来降低的成本。一般用于卫星,氙气几千克就足够,装满一个矿泉水瓶。但是高压存储和液态存储,温度要求比较高。另外并不是所有电推进都需要携带工质。如太阳帆或者电动帆,太阳帆就像大伞一样,光照上去,光反射过程就会产生一个非常微弱的推力。

  有专家计算过,一个AU的距离以上(指的是地球到太阳的平均距离)每平方米太阳光的压力是4.5微牛,如果我们拥有有足够大的薄膜接收太阳光就可以产生足够大的推力满足需求。如果是足球场大小的膜,大概在7000多平方米,可以产生33毫牛的推力,与电推力器相比推力已经比较可观。但是它也有一个难题是收起展开比较困难,可以想想一下,一个足球场大小的伞,怎么打开和收紧才既简单好用又经济实惠。

  聂森: 如果将电推进器做成大功率,那它的电源是如何实现?如果是要用核发电,现在是否有国家正在研制?另外世界上一些现在正在知道的核动力的太空发动机都有什么原理?

  鹿畅:目前电推进电源是利用太阳能电池,太阳能电池的功率在百瓦到千瓦级,如果想到达兆瓦以上就需要核动力。我们国家也有专项来大力支持这方面研究。相较于核聚变,欧洲、美国、俄罗斯都提出过空间裂变核能反应堆的概念,并且进行了大量研究。目前各国推进技术对核能需求不是很大,现正处于地面实验尚未落实的状态。核动力发动机的方案主要是两种,核热推进和核电推进,核电推进是核反应堆热能转化成电能再去驱动离子推进器或者其他航天器。核热推进器则是直接使用核反应堆的热量转化为它的动能。由于核能对于太空环境污染过大,因而俄罗斯和美国的核动力发动机方案仍旧停留在纸面上,相关技术可能需要长达几个世纪的发展。

  聂森: 人类从苏联发射第一颗卫星开始,航天器使用的动力有什么进展呢?从小卫星开始直到最新的电推进器,航天器的动力发展技术的迭代过程是怎样的?

  鹿畅:航天动力进展的话题很大,我只谈一下电推进的发展历程。实际上空间电推进的概念在1902年就由前苏联航天之父齐奥尔科夫斯基提出,而美国的物理学家罗伯特戈达德则在1906年提出此概念。从1902到1964年美国和苏联在此期间相继完成多个实验室原理样机的探索、研制。1964年,美国研制出一款名为考夫曼型的离子推力器,并实现了其在轨飞行验证。随后到1996年又开展了大量的地面集成验证和在轨验证,最终在1997年实现了正式的应用。现今已经有大约300颗高轨卫星应用电推进技术,另外星链卫星也使用到了电推进技术。目前国际上美国,俄罗斯,英国,法国,德国在电推进技术上都处于领先地位。

  聂森: 那中国是何时开始使用电推进?中国在电推进技术上处于什么位置?衡量电推进器的一些指标是什么?

  鹿畅:我国电推进技术研究始于上世纪六七十年代,直到2012年由航天五院的510所研制出LIPS-200离子推力器和上海空间研究所研制的HET-40霍尔推进器完成在轨实验,这是我国首次进行电推进技术的空间实验验证。2019 年多模式电推进首次在东方红实践20号卫星上应用。这款电推进是航天五院510所研制的LIPS-300大功率离子推力器系统。我本人也有幸参与到了该电推进系统的研制。2020年我国电推进正式实现商业应用,标志性事件是,北京控制工程研究所研制的小功率Hall电推进系统于2020年在银河航天科技有限公司首发星在轨点火成功,标志着我国小功率Hall电推进系统步入在轨应用阶段。2021年实现了载人航天领域的首次应用,标志性事件就是,我们的空间站天和核心舱采用了四台20kW大功率霍尔推力器。总体上来看,我国空间电推进技术已经可以比肩国际先进水平。

  鹿畅:已知最先进的离子电推进地面实验,寿命已经可以高达十万个小时,大概10年到11年可以不停地工作,在电能和工质不停输入的情况下可以实现超长时间的连续工作。去年10月份space X的猎鹰9进行过一个实验,它使用的离子推进器比2000年左右研制的推进器,推力提升了三倍,寿命也得到极大的提高,连续工作时间可以约50000小时。

  鹿畅:化学火箭上天的主要原因有两个方面。一个是当前电推进技术还存在一些问题。可能是工程问题或原理问题,会影响到某些推力器正常工作。包括火箭在升空时高频震动很有可能会破坏离子推进器的关键结构件。另外大多数电推进使用时需要极高的电压,如何在太空极端环境中施加高电压也是需要解决的问题。为了弥补这些问题,一般需要有其他的备选方案,作为补充。化学推进有它的优点,就是它爆发力强。当遇到紧急情况需要姿态调整,可以使用化学推进进行快速推进调整,这也是携带化学推剂的一个原因。

  聂森:美国现在的X3电推力器,可以达到4.5牛的推力,为什么它设计成圆圈套圆圈的结构?中国研制的20千瓦的电推力器和X3的差距有多大呢?

  鹿畅:X3处理器,它是一款霍尔推进器,它的直径特别大,是一个三通道推进器,它的放电通道有三个,使用多环嵌套的方式主要目的第一是增大它的推力,第二是节省空间。

  增大推力比较好理解,增加放电通道,就会产生更多电离。节省空间原因主要是,在相同的运行工况下四台小直径的推进器,它有可能与一台大直径推进器提供的推力相当。但是大直径的推进器的气体贮存装置、供应管路、电源设备,与一台小直径的推进器基本上差距很小,如果我们用四台小霍尔推进器,我们就需要用四套系统,那体积相当于一套大直径霍尔推进器的四倍。所以它才会采用圆环套圆环的形式。现阶段我国正处在加快实施载人航天、北斗导航、低轨卫星等一系列重点项目的关键时期。结合航空航天、机械、力学等专业交叉发展现状和最新成果,围绕着成熟使用航空航天设备建设目标,发展先进的空间电推进技术,将有力促进我国在世界航空航天大国中的地位。