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从科幻走进现实的发动机
- by wittx 2020-09-04
伴随着人类对太空探索的野心增长，传统化学火箭发动机渐渐暴露出其局限性。为了满足新太空项目对动力提出的越来越高的要求，工程师必须提供新的解决方案，把我们的探测器以更快的速度送到更远的太空中，以及更精确的控制其位置与姿态。
火箭发动机的工作原理就是把推进剂喷射出去，形成推力。火箭的推进效率也就是比冲定义为：每一公斤燃料产生一公斤推力的持续时间，单位为秒。而比冲跟喷气速度成线性相关。而推进剂的动能来自于以其它形式储存的能量，可以是化学能，电能，核能，压力势能等等。
传统的化学火箭发动机是利用推进剂的燃烧将储存于推进剂中的化学能转化为热量，这部分能量在收敛扩张超音速喷管中又被转化为动能。不同于飞机发动机，火箭发动机并不吸入空气，将空气中的氧气作为燃烧所用的氧化剂，而是选择自带氧化剂。传统的液体火箭燃料为煤油/液氧或者液氢/液氧。因为火箭自带的燃料和氧化剂燃烧所能释放的能量很有限，导致化学火箭发动机的喷气速度很慢，也就是比冲很低。而且因为超音速流体力学的原因，如果想要将推进剂的能量全部转化为动能，需要一个极宽而且极长的喷管，没有任何工程学实践意义。所以为了得到足够的飞行速度，火箭需要携带大量的燃料，导致一枚火箭发射全重的绝大部分都是燃料，因此效率十分低下。例如航天飞机发射时离地质量超过2000吨，但实际有效载荷只有一百多吨。
土星五号一级火箭发动机F1的燃烧室和喷管
航天飞机一次发射离地全重超过2000吨其中只有100多吨有效载荷
但是在太空中航行不同于在大气层内航行，因为没有空气阻力，即使飞行速度较慢，但航天器仍然可以持续飞行，因此这个问题不是特别严重，化学火箭效率低但是也能完成工作。但在深空探测项目中，飞行距离都是以百万公里记起步，提高飞行速度就变得很有吸引力了。例如火星登陆的任务，如果飞行速度太慢，在飞行途中需为宇航员配带大量的食物和氧气。如果可以实现更高的飞行速度，快去快回，便捷性将大大提高。
如果利用电磁场对带电粒子直接加速，系统将不再受化学火箭发动机喷管几何问题的限制，可以得到远远大于传统化学火箭的喷口速度，也就是更高的比冲。举个例子，阿丽亚娜5号的一级主火箭发动机火神2号的喷口速度为4230m/s，比冲为431秒。而NASA
Evolutionary Xenon Thruster (NEXT)以氙气作为推进剂的离子喷射发动机喷口速度为40km/s，比冲达到了4300秒，是火神2的十倍！
NASA的NEXT
其工作原理大致如下：先将推进剂电离，再利用电场将离子加速喷出形成推力，同时向射出去的离子束喷电子，让它呈电中性，否则喷出去的离子将会被航天器吸引回来。第一台离子喷射发动机是由美国物理学家Harold R. Kaufman 1959年时在NASA制造，并成功测试。它先将电中性的汞注入电离室，同时将电子射入电离室，然后电离室周围的电磁线圈将对射入的电子加速以轰击中性的汞原子来制造汞离子，随后汞离子在外加电场的作用下加速喷出，最终再使用电子使其中性化。但是现代离子推进器中使用的推进剂大多为氙气，以代替原先有剧毒的汞。
之后基于Kaufman的设计又衍生出很多新的设计，例如欧洲Thales公司的HEMP（HIGH EFFICIENCY PLASMA THRUSTER高效等离子推进器）发动机，它利用电离室中交替的磁场与电场来电离并加速推进剂，取代了原先的加速格栅，氙气的电离率从而被大幅提高，因此HEMP发动机的效率与Kaufman的设计相比有了大幅提高。
Thales HEMP
以及霍尔效应推进器，它利用霍尔效应将中性器（在Kaufman设计中只用来向射出的离子束喷射电子来中性它）喷出的电子约束在环形电离室区域内处，这些电子在电磁场的作用下加速，撞击并电离作为推进剂的氙气，电离态的氙再被电场加速射出。
上述的两种设计都避免了使用电极格栅来对离子进行加速，从而避免了高速离子对格栅的冲击与腐蚀。这对于提高推进器寿命来说是非常有优势的。
不同于传统化学火箭发动机，这类发动机的推进剂不进行化学反应，所以需要额外的电能。这部分能量可以通过太阳能电池板获得，但在进行深空探测项目的时候，由于航天器距离太阳非常远，太阳能电池板的发电能力十分有限，为了得到足够的电能需要非常大的电池板，这也挤占了有效载荷，限制了航天器的其它各项能力。但是幸好还有一个相比电池板更优雅的解决方案——钚元素衰变电池。它利用钚238的衰变生成铀234并释放一个阿尔法粒子产生的热量来发电，虽然效率极低只有3-5%，每一公斤的钚元素只能提供30瓦左右的电能，但是它的半衰期为87.7年，因此可以长时间稳定的供给电能，不受外界影响，著名的好奇号火星探测器也将它作为电能来源。稳定的电能供给同时也意味着可以节约储电系统的重量。但是钚238是极其昂贵的，在美国其售价为1000万美元每公斤，相比之下氙气只需2800美元一公斤。有一点遗憾的是，出于安全原因，衰变电池在欧洲航天项目中的应用受到ESA欧航局很大的限制，其中一个例子就是罗塞塔号探测器拥有硕大无比的太阳能电池板，它于2004年3月2日发射，在2014年11月12日它搭载的菲莱登陆器成功地在67P/楚留莫夫—格拉希门克彗星上登陆，这是人类史上第一次控制探测器于彗星上登陆，它在2016年9月30日于彗星67P上坠落之前成功执行了很多其它探测任务。现在ESA也在评估，放松对衰变电池的限制。
好奇号的电池结构
好奇号上的钚元素衰变电池
因为衰变而被加热至红热状态的钚238
离子推进器有诸多好处，但也有它的局限性，因为航天器的电功率有限，它的推力非常受限，只有几十毫牛，大约就是一张纸的重量。如今它主要被应用在卫星的姿态控制动力系统，因为它的比冲非常高，如果用它来代替传统化学火箭发动机完成卫星从GTO（地球同步转移轨道）到GEO（地球同步轨道）的变轨，可以节约大量重量。例如一个3500公斤的卫星，可以节约3000公斤燃料重量，极大降低了发射成本。但是传统化学火箭可以在几个小时内完成霍曼轨道转移，离子推进器需要三个多月，不同于霍曼轨道转移只需两次引擎推进，由于离子推进器的推力有限需要在地球同步轨道每次经过远地点时启动来提高近地点轨道高度。因为卫星极其昂贵，对于卫星运营商来说，这意味着这三个半月都不能盈利，延迟了正现金流，提高了融资成本。离子推进器和它所替代的上面层火箭发动机售价现在几乎一样，但是随着离子推进器的进一步成熟，会在可预见的将来使用成本降到远低于技术已经十分成熟的传统化学上面层火箭发动机，欧洲现在有公司已经在研发极低成本离子推进器。
但是对于深空项目，它的优势是无与伦比的，例如火星登陆任务，如果使用化学火箭完成，需要6个月的飞行时间，而离子推进器可以在39天内完成，节省了巨大的成本，使不可能变为可能。
最后再讲两个离子推进器的优秀应用案例。2009年3月27日欧航局ESA发射了一个名为GOCE的卫星探测器来探测地球重力场和海洋环流。由于测量精度要求，它的飞行轨道低至250公里，在这个高度，空气阻力并不能被忽视。为了克服空气阻力，它装备了一台离子推进器，不间断工作了2年却只消耗了40公斤氙。
2001年7月12日，阿丽亚娜5号在发射欧航局3100公斤的阿尔忒弥斯任务航天器时由于二级火箭发动机Aestus工作异常，卫星没有达到GTO预定轨道，远地点只有17487公里，是预定高度的一半。这时它搭载的RITA-10离子推进器力挽狂澜，在7年中累计工作7500小时，消耗了14.2公斤的推进剂，最终使航天器到达了预定轨道。
掉链子的Aestus，阿丽亚娜5号的二级火箭发动机
阿尔忒斯任务航天器
除了作为航天器飞行主动力以外，它也是非常优秀的航天器姿态精确控制动力。由于离子推进器的控制系统主要采用电磁推进方式，其推力可控制性远远高于传统化学火箭发动机。其中最有野心的应用计划为将于2034年升空的LISA（Laser Interferometer Space
Antenna）激光干涉空间天线，其通过激光干涉来以极高精度测量信号相位，来实现遥远宇宙中引力波源的探测。LISA由三个相同的航天器组成，它们形成一个互为60度的等边三角形，和地球在同一日心轨道飞行并绕地球飞行，LISA每一个天线与地球的连线，和它与太阳的连线全程保持一个特定角度来减少地球引力对其测量结果产生的影响。尽管它的测量距离非常大，但它的测量精度可以达到一万亿分之一米，这就对航天器姿态精确控制提出了极高的要求。而其中最有可能应用的一种发动机为电子场致发射发动机（Field
Emission Electric Propulsion），其也为离子推进器的一种，不同于上述几种设计原理，其推进剂为液态的金属铯。它在一个高压的电场下（通常为一万伏），表面被激化为不稳定态，形成一个泰勒锥。从泰勒锥尖部射出的离子射流被电场加速到100公里每秒的速度，形成推力。由于推进剂射出速度极快，它可以达到1万秒的比冲。而它可以实现0.1到150微牛的推力，也就是最低推力是千万分之一牛，从而对航天器的飞行姿态以极高的精度进行控制。这些都是传统化学火箭发动机望尘莫及的。
电子场致发射发动机基本原理
LISA的飞行轨迹，蓝色为地球，黄色为太阳
电子场致发射发动机
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