霍尔推进器的好处推力小的好处可多着呢 , 不仅节省了许多燃料 , 还可以使推进时间延长 , 而且在太空中是失重状态 , 推力越小越容易调整航天器的姿态 。 这个能力才是大型空间站和卫星最需要的 。
其实这些空间站和卫星只要发射到了地球轨道上 , 已经不再需要动力来推进了 。 但是近地轨道不能保证完全是真空构成的 , 还是可能会存在一些极其稀薄的大气 , 这些大气可能会跟航天器产生一点摩擦 , 就会导致能量损耗 , 轨道高度降低的不良后果 。
抵消这一不良效果 , 就需要我们偶尔开启推进器 。 这样把轨道高度再次推高 , 防止它降低到大气层的高度烧毁 。
那么我们为什么不用传统的化学火箭来推进呢?其实这是因为 , 使用离子推进器的话 , 消耗掉一样多的燃料 , 离子推进器可以产生更多的速度增量 。 换句话说就是离子推进器的“比冲”更高 。 可以高到什么程度呢?
传统的化学能发动机 , 其中比冲最高的无疑是氢氧发动机 , 可以达到450秒 , 还有核热发动机达到了900秒 。 离子推进器已经达到了1500到3000秒 。 那么这样一来 , 就不再需要携带大量燃料了 。 现在这个数值就只有传统化学火箭的几分之一了 , 在不久的将来会缩小到十分之一 。
发展到这一步的话 , 空间站的燃料补给次数和成本就可以大大降低 。 为什么离子突进有这么高的比冲呢?离子推进器采用了物理学中的霍尔效应 , 在霍尔推进器内 , 使用了环形喷口和放电室 。
电子枪在喷口外对内发射电子 , 电子就可以沿着轴向电场的阳极运动 , 霍尔效应此时产生了感应电压 , 环向旋转 , 电子与喷出的气体互相碰撞 , 使气体电离 。 电离后的离子在电场的作用之下 , 向后加速喷出产生了推进力 。
霍尔推进器燃料霍尔推进器所携带的推进剂并不是传统意义上的“燃料” , 而是工质 。 这种能源来自电力 , 所以毫无疑问需要强大的电源来供电 。 比如说空间站这种距离太阳不远的航天器 , 采用太阳能电池板发电就会比较方便 。
我国的空间站如今也是采用砷化镓柔性电池翼 , 其光照面积较大 , 效率也极高 , 堪称是霍尔推进器的后方保障 。
当然如果需要前往远离太阳的深空 , 那就得更进一步 , 采用核电池了 , 甚至需要大功率的核反应堆电源 。
我们可以预见的是 , 将来离子推进器会是空间站的主流推进器 。 虽然推力小的可怜 , 但是比冲却大的惊人 。 所谓的比冲就是推进剂的量与所产生的冲量之间的比例 。 同等数量的燃料 , 推进器的冲击力越大 , 比冲也就越高 。 传统的化学燃料推进剂 , 极限是30公里每秒 , 需要消耗6吨燃料 。
但是我们的霍尔推进器理论上的极限数值是300公里每秒 , 仅需要消耗534公斤燃料 。 换算下来 , 速度是传统推进器的十倍 , 价格却只有十分之一 。 所以从某种程度上来说 , 比冲就是推进器对能量的利用效率 。
霍尔推进器用途可能有人还是会对这么小的推力产生误解 , 认为这么小的力量没什么用 。 但是霍尔推进器的主要阵地全都是在太空中 。 太空中没有地心引力 , 所以尽管这个推力只有毫牛级 , 但是考虑到太空中完全没有空气阻力 , 所以是完全够用的 。
就算只有1毫牛甚至不到1毫牛的推力 , 也照样可以推动探测器进行平滑飞行 。 最多也就是一个速度上有区别罢了 。
而且摩尔推进器成为未来主流推进器的另一个原因是良好的持续性 。 我们知道太空飞船是在地球的附近 , 加速到一个速度之后就可以关上发动机朝着一个方向飘过去了 。 离子加速器可以持续工作 , 虽说推力极小 , 但是却有着几小时几天甚至几个月的推力 。
推进器如果保持一个G的加速度持续飞行 , 从地球到月球也就需要三个小时而已 , 要知道当年的阿波罗号花了足足三天 。 从我们的地球飞到太阳系里离地球最远的海王星 , 当年的旅行者2号飞船也花了整整12年 。
如果换成现在 , 有了这1个G的持续加速 , 那可就大不相同了 , 只需要16天就能到达海王星了 。 还记得我们曾经的探索先驱旅行者1号吗?它已经飞行了43年了 , 行程超过了211亿公里 。 要是有这一个G的持续加速度 , 只需要花24天就能追上旅行者1号了 。
这个时间已经是科技带来的质的飞跃了 。 现在我们仔细审视离子推进器 , 虽说其适用范围还不是太宽 , 但它肯定是未来发动机的发展方向 。 其实离子推进器这个概念可不是近几年突然出现的 , 而是早在1959年就被提出了 。 我们花了接近40年的时间来研究 , 才最终成型的 。
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