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2020-09-16 11:30
打破太阳系枷锁:霍尔推进器

本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧,题图来自:电影《流浪地球》


离子发动机、光子发动机、霍尔推进器……莫急,咱们先给这些充满科幻色彩的概念划一条边界。


截止今天为止,人类所有的火箭发动机,都是依靠向外扔东西产生的反作用力获取动力,学术点说就是动量守恒定律。


现有的物理理论,对引力空间的认识水平和神棍差不多,完全不存在动量守恒之外的发动机原理。


因此在很长一段时间内,发动机还得靠扔东西产生动力,扔得越快,动力越大。


非常抱歉,混了这么多年还是牛顿第三定律。


火箭极限


所以,但凡想上天的发动机,都是围绕“如何更快地扔燃料”而设计的


比如飞机发动机,为了扔得更快,就拼命倒燃料,燃烧需要空气,于是就在发动机里装了一台抽风机。但是空气的含氧量只有20%,就算抽风机把空气压缩成液体塞到燃烧室里,其实也没多少氧气,所以燃料喷射速度并不快,只有每秒几百米,这对火箭来说简直就是塞牙缝。


火箭发动机自带纯氧,燃烧当然更充分,燃料喷射速度能达到2~5km/s。可惜这么多年过去了,最好的燃料依然还是液氢液氧,想要更快,就得用炸药了。


炸药的爆炸速度一般是7km/s,不过用炸药当燃料,一般人可吃不消。


总的来说,如果不考虑尚未实用的全氮阴离子盐,这大概就是化学燃料的极限了。



说得有点抽象,本僧来秀一把硬核计算。假设把20吨货送到近地轨道,不考虑空气阻力、势能和火箭干重:


若燃料喷射速度是600m/s,则需1000万吨燃料。这是飞机发动机的水平。


若燃料喷射速度是2.5km/s,则需451吨燃料。这是当前主流火箭的及格线


若燃料喷射速度是5km/s,则需77吨燃料。接近当前化学燃料的理论极限


若燃料喷射速度是30km/s,则需6吨燃料。霍尔推进器的喷射速度。


若燃料喷射速度是300km/s,仅需534公斤燃料。据说这是仅靠现有技术就能压榨出的离子发动机的全部潜力。


不过理论上,只要电压足够大,离子可以无限接近光速,比如对撞机能把粒子加速到光速的99%以上,若是把这当成发动机喷射燃料的速度……把20吨货送到近地轨道,仅需532克燃料。


前景算是很美好了,下面该倒苦水了。


离子发动机


你可能想不到,像离子发动机这么科幻的设备,居然在1959年NASA的考夫曼就搞出来了。


考夫曼与他手中的离子推力器


其大概原理和电磁炮差不多,如下图:先将汞注入电离室,然后电子枪注入电子,用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子,汞离子呈正电,用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力。



在出口附近再装一把电子枪,向离子束注入电子,使其中性化,恢复成原子。不然带电离子会沾满整个航天器,发动机内部也会积累电子产生静电,各种麻烦。



简单来说,前面用电子枪电离,后面用电场加速,原理一目了然。不过考虑到推进效率和腐蚀性,现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙。


1998年美国“深空1号”彗星探测器首次将离子发动机作为主力推进系统应用在深空飞行,发动机自重只有8公斤,仅携带82千克氙就进行了20个月的飞行。



电离不一定非得用电子轰击,比如把盐扔到水中就可以得到氯离子和钠离子,还比如,微波也可以直接电离气体。


2019年有个大新闻,日本隼鸟二号探测器在3亿公里外的小行星成功取样,用的就是微波离子发动机,采用微波电离。



在小行星降落、采样、上升,一气呵成。



离子推进器的原理和结构并不复杂,但问题也很多。比如后面正负极的加速格栅就很碍事,不但效率不行,还得经受高速离子的冲击腐蚀,对材料要求贼高。


于是,大家就想起了霍尔。


霍尔推进器


相比原理单纯的离子推进器,霍尔推进器的原理就有些烧脑了,小盆友们看出点感觉就行。


先说下霍尔效应:电流在磁场中通过时,电子或离子会横向移动,导致导体有个横向的电势差。就好像长江水流有个横向的作用力,使南岸的水位比北岸的高。


这样的好处是,当电子(负电)和离子(正电)混在一起时,可以利用霍尔效应分开,做到一边电离一边加速。也就是说,霍尔推进器把电离部分和加速部分合到了一起,也就是把磁场和电场合到一起,舍弃了原先碍事的加速格栅。



为了让混在一起的电子和离子各司其职,磁场和电场的设计显然更为精巧,喷口从一面筛子变成了一个环形结构。




八仙过海


离子推进器和霍尔推进器是最主流的两类应用,两者差别一目了然。




原理再调整一下,还能分出很多类型,比如:脉冲等离子体推进器、磁等离子体推进器、电弧加热推进器等等。


基本思路都是先把原子电离,然后用电场轰出去。至于原理么,本僧只负责把这组德文图片补齐,能领悟多少就看阁下造化了:





不过说实在的,因为本质上都是折腾离子,所以笼统地称为“离子推进器”也没什么不妥。还有,发动机、推力器、推进器,只是叫法不同,都是一个意思。


离子推进器有个优点是不挑食,易电离的原子都可以作为推进剂。氙是当前主流推进剂,但人家毕竟是稀有气体,很金贵的。所以其他推进剂也很热门,如锌、氮、碘、镁、铋等,光谱都不一样,煞是好看。



看起来形势还不错啊,为啥离子推进器以前没咋听说呢?这当然是因为你孤陋寡闻嘛!


积跬步至千里


离子推进器虽然喷口速度比化学发动机快一个数量级,但喷出来的东西实在太少,算到最后推力实在小的可怜,所以都用“毫牛”做单位,和放屁的力气差不多。


因此从地面到太空还得靠化学火箭,到了太空才是离子推进器的舞台。


1998年美国深空1号,离子发动机喷口速度接近30km/s,但工作一整天只能喷100克燃料,仅仅给卫星增加了10m/s的速度,算下来推力只有90毫牛,相当于9克的重量。


好在这玩意儿实在持久,累积工作了14000小时,期间各种加速减速,与小行星你来我往,战功硕硕。



离子推进器其实算不上很黑的黑科技,深空飞行已经普遍采用。一般而言,离地球200万公里开外就算“深空”,在这种地方,笨重的化学火箭就是根废柴。


2007年美国的Dawn黎明号小行星探测器,3台离子推进器,推力92毫牛,累积飞行11年69亿公里。


2018年欧洲宇航局发射的BepiColombo水星探测器,4台离子推进器,合计推力290毫牛,计划飞行7年90亿公里。


欧洲SMART-1尽管只是探测月球,也使用了离子发动机为主推进器。


还有从3亿公里外的小行星上取样品的隼鸟号,屁股上4台离子推进器格外醒目。



除了深空飞行,在地球附近的变轨爬坡,也不乏离子推进器的身影。因为离子推进器靠电运用,所以也叫电推。


2015年SpaceX发射了两颗全电推进的通信卫星,安装了4台XIPS-25离子推进器,推力165毫牛。



这俩卫星靠离子推进器从转移轨道爬到了3.6万公里高的同步轨道:



原本这类在地球附近的变轨都是化学火箭的事儿,几小时就能完成,但要多带好几吨燃料。离子推进器则相反,小巧玲珑成本低,但变轨过程要持续几个月。


显然,最近几年大伙的耐心是越来越好了,商业卫星采用全电推进的比例大幅上升,估计已经超过一半了。


离子推进器本就不高的门槛快被踏烂了:美国L-3公司的XIPS离子系列、Busek公司的BHT霍尔系列、AMPAC-ISP公司的T霍尔系列,日本的μ微波系列,英国T离子系列,德国RIT射频系列,俄罗斯SPT霍尔系列……



如果说前面这些业务是从化学火箭手里抢的,那么下面这些活,凭的就是自己本事了。


秋毫之末定乾坤


大伙可能没想到,推力小其实还有优点:精准!


你想想,化学火箭轻轻吹口气就狂风暴雨,要把握力度就太难了。推力小了,反而可以精准调控,特别适用那些精度要求极高的卫星。


2009年欧洲宇航局发射的GOCE探测器,以前所未有的精确度绘制了地球重力场。由于测量精度要求很高,卫星必须在大约250公里的低轨道飞行,而这个高度有很多空气分子,微小的空气阻力会导致卫星高度逐渐下降。


于是,GOCE就装了离子推进器,用来抵消细微的空气阻力,这货持续工作了2年,让卫星始终保持在一个精准的轨道上,展现了无与伦比的优势。



如今,轨道定位、控制姿态完全是离子推进器的天下了。但这点能耐其实不算啥,离子推进器真正的绝活在这儿呢:


还记得地面引力波怎么探测吧,引力波使相隔4公里的反射镜产生了0.000000000000000001米的位移。若想位移更显著一点,就得增加反射镜间距,地球上这点距离已经无法满足要求了,于是大家想到了太空。


激光干涉空间天线LISA,美帝和欧萌合作的太空引力波探测计划,打算2030年代完成,用3颗卫星组成边长250万公里的三角形,激光跑完全程得花25秒。有兴趣的盆友,给你个官网:https://lisa.nasa.gov/



现在问题来了,引力波探测的本质就是测量微小移动,要是卫星自己抖个不停,那就没法干了。


所以,卫星必须真真正正“静止”在太空,成为超静超稳平台,学术点说就是“无拖曳控制”技术,通俗点说就是消除卫星受到的各种干扰力。


比如,太阳光照到卫星上产生的光压,宇宙射线打到卫星上产生的微小推力,空气分子零零星星逃逸到太空产生的阻力,诸如此类。


不用说了,这种活,非离子发动机莫属。


2019年底长征四号把中国的“天琴一号”送上了天,离子发动机推力精度达到了0.0000001牛,成功完成无拖曳控制飞行验证,成为世界上第二个掌握该技术的国家。



预计2035年用3颗天琴卫星,在10万公里的高度上,组成臂长17万公里的等边三角形,建成中国的太空引力波探测系统。



从参数上看,天琴比LISA还是有些差距,可谁让咱们钱多呢?星间距离300万公里的“太极计划”已经上日程了……


星辰大海在哪里


尽管离子发动机目前能干的活不多,但比化学发动机更值得期待,咱不妨憧憬憧憬。


科幻片看多的小盆友通常有个误区,以为飞船是一路开着发动机到月球、到火星。其实,无论去月球还是去火星,飞船都是在地球附近加速到某一速度,然后无动力飘过去,和洲际导弹一样,是被扔过去的。


举个例子,阿波罗登月,从地球到月球一路飘了3天,而发动机只在一开始工作了短短1010秒,十几分钟而已。


这赶路的效率自然就很感人了。以地球和火星为例,最近距离大约5500万公里,一般都得飘两三百天。2012年美国好奇号火星探测器,整整飘了254天才降落在火星表面。



假设好奇号不是飘过去的,而是用发动机一直推过去的,得多少时间呢?如果把地火距离简化成两点一线的加速减速过程,舒舒服服按一个G的加速度去火星,只要42小时,相当于一趟绿皮火车。


同理,如果我们能持续以一个G的加速度飞行:到月球只需3.5小时,而阿波罗用了3天;到太阳系最远的海王星,只需16天,而旅行者2号整整用了12年;追上已经飞了43年、211亿公里外的旅行者1号,只需24天。


这是什么概念呢?太阳系就相当于大航海时代的太平洋,人类终于能摸到太阳系的边缘了。



这一天遥远吗?


国内外进展


咱们先把目标明确一下:以天宫一号空间站为例,可供3人长期生活,重约8吨,要产生1G的加速度,合计推力8万牛,再怎么掐头去尾,单台推力也要到万牛级别。


中国在1974年首次开展汞离子推进器的研究,时间不算晚;开发的LIPS-80离子发动机,获得1978年国家科技进步一等奖,成就不算小。然后,直接停滞了20年……


其实在80年代,考虑到经济条件和韬晦策略,下马了大量的高科技项目,运输机、轰炸机、航母、反导、超级计算机、光刻机……大大小小上百项。


这里多说几句,很多人对韬光养晦的理解是,嘴上说一套,偷偷干一套。这实在是小瞧了美帝情报机构,不自断臂膀,多干一些衬衣皮鞋的粗活,美帝是不会放心去中东捞石油、怼毛子的。



1999年,重启离子电推进研究。2004年,我国第一台200毫米氙离子推进器样机问世,补上了落下20年的课。


“实践号”是科学试验卫星,很多航天技术都在这个平台上验证。


2012年“实践九号”A/B双星,首次使用离子推进器,推力40毫牛,喷口速度30km/s,算是赶上了国际水平。


2019年12月升空的“实践二十号”搭载了十多项国际领先技术,其中300毫米的LIPS-300离子推进器,喷口速度达到了40km/s,推力200毫牛,首次实现了高低功率双模式,成功踏入第一梯队。


更大一号的400毫米LIPS-400已经完成原理样机的试验,推力336毫牛,开关次数、累积寿命、功率调节、效率等各项性能都棒棒的。


前面耽误了20年,后面恶补了20年,终于可以跟美帝掰掰腕子了。



离子推进器高歌猛进,霍尔推进器也没闲着。


从几年前的HET-40,一路到最近的20千瓦霍尔推进器,推力从几十毫牛涨到了1牛,效率也达到了70%,可喜可贺。



这里稍微嘲讽一下那些把我国首款牛级霍尔推力器吹嘘成天下无敌的媒体,因为业界标杆还是美帝。


2017年NASA测试了X3霍尔推进器,功率达到了100千瓦,推力达到创纪录的5.4牛。这货有三个相互嵌套的同心环通道,能喷出的离子更多,推力自然也就更大了。



值得注意的是,我国用20千瓦产生1牛的推力,美帝X3用100千瓦产生5.4牛的推力,两者效率不相上下。除了推力不如美帝,其他性能相差无几。


提个醒,100千瓦相当于轿车的发动机功率,在这儿却只能提个苹果……但好歹用“牛”做单位了,还是值得欣慰的。


对了,咱们刚刚说目标是多少来着?一万牛?这真是个伤心的话题……


任重道远


离子发动机的推力不但取决于离子喷射速度,也取决于离子密度。霍尔推进器虽然有了长足进步,但喷出的离子还是少得可怜,所以推力上不去,限制了应用。


为了增加推力,科学家想到了一个绝妙主意:可变比冲磁等离子体发动机VASIMR。


核心区别在于,离子被电场加速前,先用微波加热到100万度。温度的微观本质就是粒子速度,这团高温等离子体就是一堆高速乱飞的离子,只要用电磁场将乱飞的离子引导到一个方向上,就可以极大的增加喷射速度。



可变比冲磁等离子体发动机有诸多优点:第一,离子密度高;第二,喷口速度可达300km/s;第三,水二氧化碳啥都可以当推进剂;等等。就是块头有点大:



不过VASIMR的块头不是白长的,功率100千瓦算得上霍尔推进器的最高记录,但在VASIMR这儿只能算个起步,美帝的VX-200轻轻松松玩到了200千瓦。


尽管VASIMR的能量利用率和霍尔推进器差不多,都是每千瓦产生约0.05牛推力,但大块头高耗电是很难在天上混的。


目前,可变比冲磁等离子体发动机,貌似只有美帝在前面趟路,到时候咱们估计还是发扬光荣传统:摸着美帝过河。



最后还有一道被忽略的算术题。


卫星依靠太阳能发电,100千瓦的功率需要300平米的太阳能面板。按这个比例,8万牛需要150万千瓦,折合太阳能面板4.5亿平米!先不说成本,光增加的重量也得拖垮推进器。


伺候这种耗电大户,太阳能靠不住,怕是只有核聚变了。说到可控核聚变,这又是一个伤心的话题……


聚变直喷


既然这事已经扯到了核聚变,就没理由不说一说“聚变直喷发动机”,一种停留在传说中的火箭发动机。


总结来说,离子发动机本质上是用电磁场加速离子,目前理论极限是VASIMR的300km/s,离速度极限30万km/s还有不少上升空间。


但是,先聚变发电,再用电力驱动离子,能量利用率并不高。就好像用汽油发电,再用电动机驱动汽车,莫不如直接用汽油发动机。


于是,有人提出了一种惊为天人的发动机思路:直接将聚变反应后的高温等离子体引出来做推进剂,喷口速度可以达到20000km/s,光速的十五分之一。在这种喷射速度下,只要每秒喷出4克燃料,推力就达到了8万牛。



尽管聚变直喷发动机在技术上还是没影的事情,但好歹理论已经趟到这了,就算物理学一直没突破,再过几百年也还是有盼头的。


若真有一天,人类实现了以1G加速度持续星际飞行的目标,离太阳系最近的半人马座三星只有4.22光年,想想还有点期待呢!


本文来自微信公众号:老和山下的小学僧(ID:gh_586564bb7b66),作者:老和山下的小学僧

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