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推力只有80毫牛的发动机,如何推动天宫空间站?

少儿编程网2021-08-27 13:47:00儿童科普文章 人已围观 来源:少儿编程 -用户投稿

简介出品:科普中国  制作:谢竟成(科学有段子)  监制:中国科学院计算机网络信息中心  2021年6月17日,神舟十二号成功发射,并与中国空间站的天和核心舱完成对接。而在核心舱之中,有多项技术达到了世界前列水平,引国人骄傲。其中,用来调整姿态、维持轨道的霍尔发动机,作为一项新技术,走进了人们的视野。  与常见的发动机不同,霍尔发动机不需要化学燃料,就可以喷出科幻电影中那般绚丽的尾焰,推动飞船前进。 

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  制作:谢竟成(科学有段子)9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  监制:中国科学院计算机网络信息中心9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  2021年6月17日,神舟十二号成功发射,并与中国空间站的天和核心舱完成对接。而在核心舱之中,有多项技术达到了世界前列水平,引国人骄傲。其中,用来调整姿态、维持轨道的霍尔发动机,作为一项新技术,走进了人们的视野。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  与常见的发动机不同,霍尔发动机不需要化学燃料,就可以喷出科幻电影中那般绚丽的尾焰,推动飞船前进。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  如果不需要化学燃料,那它的动力来源是什么?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  为什么要采用这种装置?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  这还得从火箭发动机的原理说起。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

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  “天和”核心舱(图片来源:中国载人航天)9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  化学火箭的极限在哪里?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  不管是飞翔、划船还是走路,要想获得前进推力,都只有一个方法——利用牛顿第三定律。比如,走路时就需要我们的脚用力后蹬,以受到地面的反作用力,进而前进和加速。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  可问题来了,太空中没有着力点,那该如何获得推力?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  答案是——抛出去自己的一部分。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  被抛物体的反作用力,就成了火箭本身向前的推力。这依然是牛顿第三定律的应用,还可叫做动量守恒。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  火箭想要前进,就得“扔”东西,随着火箭技术的发展,“扔”的东西越来越多,也越来越快。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  按照推进能源划分,**早的火箭叫作化学燃料火箭,我国的长征五号火箭就属于这一类。它们通过燃烧燃料产生能量,将燃气迅速喷出,获得前进的动力。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  但人们发现,这种火箭有个致命的缺点,那就是燃料消耗量太大了。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  火箭很大一部分空间装的都是燃料和燃料罐。在人类历**,**大的火箭“土星五号”,起飞重量达3000多吨,**后送上月球的部分只有45吨,剩下的质量几乎都是燃料。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  要想减少燃料消耗,还得从火箭的原理着手。前面说过,火箭的推力是靠动量守恒获得的,动量等于速度和质量的乘积,所以不管扔的是燃烧前的燃料(及助燃剂),还是燃烧后的燃料,只要扔的速度不变,产生的动量就不变,即获得的推力不变。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  因此,要想减少质量,又不降低推力,方法只有一个——以更快的速度扔出。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  但人们发现,靠化学燃烧,喷出物只能达到10km/s的速度“天花板”,难以满足我们的航天探索需求。要突破这一极限,只能另谋出路了。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  效率更高的发动机——离子推进器9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  怎样获得更高的喷射速度呢?科学家们想到了粒子加速器,它能产生目前人类能达到的**高速度——可以使粒子达到光速的99%以上。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  但它的体积比较大,动辄上百米甚至几十公里的长度,可不是直接就能装到火箭上的,于是它的简化版本,离子推进器诞生了。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  离子推进器的原理,就是用电子轰击原子产生离子,然后通过电场加速离子,向后喷出获得推力。离子推进器的体积小巧,甚至可以和家用扫地机器人差不多大,喷射速度却是化学燃烧的十倍。也就是说,只要消耗十分之一质量的工质,就可以获得和化学火箭一样的推力。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

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  NASA的演进氙离子推进器(NEXT)计划研制了一台7千瓦功率的粒子推进器9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  (图片来源:NASA)9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  但它有个缺点,高速运动的离子会和加速用的电极栅板碰撞,不但影响效率,还会产生腐蚀,用不了多久,电极板就报废了。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  再进一步——霍尔发动机9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  为解决这个问题,科学家们又从离子推进器的结构入手,开始改良离子的碰撞问题。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  离子会碰到电极栅板,是因为原来的结构中,离子产生区域和加速区域是分开的,离子要射出去,必须经过电极栅板,这样就难免会发生碰撞。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  而如果把两个区域合并,不仅可以取消掉一个极板,还能减小空间。人们将喷口处的负极板取消,做成敞口结构,这样既能达到加速离子的效果,又不会碰到极板,避免了腐蚀问题。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  但这样又产生了新问题:把两个区域合并,虽然能避免离子和电极板碰撞,但又产生了电子和正极板碰撞的弊端,导致离子的生成率大幅降低。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  对此,科学家想到了一个妙招,霍尔效应。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  这个思路跟可控核聚变中的磁约束有异曲同工之妙——利用磁场来限制电子在电场中的运动,把电子“捧”在里面转圈圈,让它们老实地跟原子相撞,形成离子再喷出去(实际上,为了避免离子吸附在推进器和飞行器外壳上,喷出的离子还会先和电子结合成中性的原子,再喷出去)。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  因为利用了霍尔效应,这种推进器就被称为霍尔推进器。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

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  霍尔推进器原理(图片来源:参考文献3)9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  万事俱备,只欠工质9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  接下来就是工质选择的问题了。用哪种原子去和电子碰撞,来产生离子?或者,直接喷电子行不行?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  运用能量守恒,消耗同样的能量,喷出的粒子质量越大,动量越大,能产生的推力就更大。通常一个离子的质量是电子质量的万倍以上,所以选离子做工质子更合适。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  形成离子的原子,首先要容易与电子碰撞电离,这意味着原子的半径越大越好;其次是电离后不易产生腐蚀性物质,因此,元素周期表右下方,原子量较大的几种稀有气体元素,显然比较符合条件。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  当然,还要考虑其他因素,原子量**大的Uuo,半衰期只有12ms,而次一级的氡(Rn),又太稀有,且有放射性。所以,比较理想的就是氪(Kr)和氙(Xe)。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  二者相比,虽然氙比氪更容易碰撞电离,但是更金贵稀有。因此在商业应用上,氪更加受到青睐。比如马斯克的星链卫星,所用的霍尔推进器工质就是氪。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

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  元素周期表(图片来源:veer图库)9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  至此,霍尔推进器的原理已经明了,但它为什么没有用在火箭发射上呢?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  原因很简单——推力低。例如天和号核心舱上用的霍尔推进器,每个推力是80毫牛,在地面上差不多只能托起一张A4纸,而我国**近研制出的推力达一牛的霍尔推进器,都已经是世界前列水平了。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  这么先进的推进器,怎么就只能推张纸?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  其实,这个先进性,并不只看推力大小,而是着重于对工质的利用率。用专业术语来讲叫做比冲,就是单位质量的工质能够产生的推力。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

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  目前推力**大的X3霍尔推进器,推力可达5.4N(图片来源:参考文献2) 9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  虽然霍尔推进器可以用不到十分之一的工质就达到化学火箭的推力,但这是在喷射同样质量工质的基础上所作的比较。实际上,一个是爆炸式的喷射燃气,一个是细水长流的喷射原子,当然力量要小很多。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  就拿欧洲航天局的首枚月球探测器SMART-1来说,它用的是离子推进器,效率跟霍尔推进器差不多,每天只能喷射一百克左右的燃料,百公里加速时间需要一天半,从同步轨道进入环月轨道就花了13个月。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  推力虽小,前景远大9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  虽然无法用来发射火箭,但在太空微重力环境下,霍尔推进器却可以扬长避短,起到意想不到的效果。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  第一,相对经济。卫星在环绕地球飞行时,会受到零星空气分子碰撞,导致轨道降低,**终坠毁。为了维持轨道,卫星就需要安装发动机来推进。然而,轨道跌落过程相当缓慢,一年能也就几公里。因此对推进器的推力要求就不高了,但从经济角度考虑,消耗燃料越少越好。这不正好是霍尔推进器的用武之地吗?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  所以,我国的天和号核心舱便安装了霍尔推进器,在跟神舟十二号对接前,就是靠它来完成维持轨道的工作。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  第二,持续性好。为什么人类**远只到过月球,原因之一就是化学燃料火箭消耗巨大。虽然阿波罗飞船花了整整三天才到月球,但发动机仅工作了约1010秒,其余时间都是靠惯性在太空漂浮,只因无法承担巨大的燃料消耗。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  可霍尔推进器就不一样,虽然推力小,但比冲高、消耗低,同样工质下持续性更强,**终速度还是很快的。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  美国的深空一号探测器(采用离子推进器)曾经就来了一场星际较量,通过持续加速,硬是跑赢了土星。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  这就像龟兔赛跑似的,虽然霍尔推进器加速慢,在短距离上跑不过化学燃料发动机,但贵在能够持之以恒,距离越长,越能“笑”到**后。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  第三,更为精准。我国的太空引力波探测计划系统“天琴”,需要三颗卫星,以极高的精度组成边长17万公里的等边三角形。要维持位置精度,就需要有精度高且推力小的推进器——霍尔推进器这类小功率的推进器就正好派上用场了。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  依靠精度达到0.1微牛的推力控制,可以把卫星牢牢地锁定在队列当中,维持引力波探测的可靠性。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  推力只有80毫牛的发动机,如何推动天宫空间站?9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  天琴计划位置示意图(图片来源:国家航天局*网)9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  需要注意的是,霍尔推进器推力小,只是现阶段的状态。在未来,大推力霍尔推进器仍有很大的发展空间,但的确需要时间。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  办法总会比困难多,回望我国航天史,也正是这样克服重重困难,一步一个脚印走过来的。星辰大海,漫漫征途,在这条艰辛而荣耀的道路上,只要不放弃思考,总会飞得更快,走得更远。9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  参考文献:9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  [1]康小录, 杭观荣, 朱智春. 霍尔电推进技术的发展与应用. 火箭推进. 2017, 43(01): 8-17+37.9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  [2]康小录, 张岩, 刘佳, 等. 大功率霍尔电推进研究现状与关键技术. 推进技术. 2019, 40(01): 1-119U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  [3]张敏. 霍尔电推进技术——促成10年后去火星. 国际太空. 2016,(12): 42-459U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

  [4]袁岚峰. 打破太阳系枷锁:霍尔推进器. 知乎. 20209U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com

来源:科普中国  版权所有:科普中国-科普融合创作与传播9U9少儿编程网-https://www.pxcodes.com


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