推力只推的动一张纸,空间站的霍尔推进器有何用?它代表无限可能
题记
浩瀚的宇宙,无边无际,充满着无尽的秘密,人类从登月的开始,到第一颗人造卫星发射成功,从未放弃过对未知宇宙的探索。
现如今随着科技的不断进步,各国都将眼光看向了更远的太空,在那里建造属于自己国家的国际空间站,我们中国的航天事业起步虽晚于其他的国家,但也开始了我们的大业。
传统推进器
从人类最早发明火箭到现在,我们的研究本质上没有任何的改变,现在化学火箭发展大致有两个研究方向 :其一是能够携带更多的燃料,另外一个便是喷得更快。
火箭不断的更新换代,为的就是携带更多的燃料,传统的化学推进器都是燃烧喷出大量的高速气流,其优点很明显, 这种推进器拥有超大马力化学推进器,爆发力非常强劲,但是他的缺点也很突出,就是效率低,持续时间短。
我们所居住的地球存在着大气层,大气层和外太空的边界,通常位于100公里处,这里的大气极其稀薄,长期处于这样低密度的大气下,虽然短期对航天器的减速微乎其微,但架不住时间慢慢的推移,对它不断的消耗,这会导致它不断的减速,最终被迫降轨,几个月后就会被拖进大气层,然后坠毁。
霍尔推进器
我们的很多卫星都在400km以上的高空中,甚至有的同步卫星位于地球上方3.6万公里的位置,这些卫星不用担心大气稀薄的问题。
但也有一些卫星比如:间谍卫星、遥感卫星等,它们在200km处左右的高度中才可以发挥最大的功效,而这个位置刚好是大气最为稀薄的地方,它们就需要一个工具帮助它们稳定在这里。
稳态等离子体推力器就可以完美的解决这个问题,它还有另一个名字叫作"霍尔推力器。"霍尔推力器的主要优点就是效率高。
霍尔推进器的进化历程
二战后,电推进技术代表了航天领域的未来,由于离子要不停撞击栅格,材料腐蚀问题严重,影响使用寿命,而且设计不够紧凑,体积较大, 美国大搞离子推进时,苏联走的是"霍尔推进。"
霍尔推力器第一代便是由苏联专家于上世纪60年代发明出来的,苏联人在投入大量人力、物力研究出离子推力器之后,很快将其投入了使用。
1972年气象卫星首次应用霍尔推力器,他们看到霍尔推力器在卫星上应用的效果很好,苏联人就继续在此方面展开深入的研究,希望能优化和改进创造出新型的霍尔推力器。
如今,数十个俄制空间载荷中,安装了数百台霍尔推力器,霍尔推力器在俄罗斯的空间站发挥了巨大的作用。
苏联解体后,NASA的喷气推进实验室、格伦研究中心,以及美国空军剑桥研究实验室,联手考察苏联的技术遗产。
很快,4台最初型号的SPT-50,1台最先进型号的SPT-100,就摆在NASA实验室里,因为知道俄罗斯研究霍尔推进器取得了不小的成功,美国人也觉得霍尔推力器很有发展前景,于是在苏联的基础上继续研究,他们重新开始了对霍尔推力器的研究。
霍尔推进利用了带电粒子在磁场中受洛伦兹力偏转的效应,先把电子束约束在一个环形通道里,这可以防止其与阳极室产生的正离子发生碰撞从而中和,进一步约束与加速从阳极室中产生的等离子体。
利用电场将气体电离,电离后的气体在磁场偏转作用下,带正电的粒子质量大,环绕半径大被甩到外圈;电子质量小,环绕半径小,在内圈。
这样一来就完成了不同带电粒子的筛分,不需要用屏蔽栅,避免了碰撞接触造成的设备腐蚀,之后再用电场把区分出来的离子加速喷出。
霍尔推力器因为有特殊的设计结构,所以对推进剂不挑剔,只要容易电离就行,甚至可以用液氧,它的构型也比较紧凑,并且体积较小。
1971年12月,人类首款实用的霍尔推力器SPT-50,被苏联发射升空,负责给流星号气象卫星提供推力(这个编号"50",意思就是直径50毫米)。
这款发动机的推力只有20毫牛,放在地面上甚至不到一张A4纸的重量,到80年代,这一系列发动机已经出到SPT-100,推力83毫牛。
我国在电力推进领域的研究,起步并不比美苏落后太多,早在60年代中期,钱学森就已经推动中科院电工所启动研究。
80年代中期到90年代中期,我国航天器的功率有限,大小也有限,对电推进的需求不高,所以相关研究进度不快,2012年10月,实践9A升空,上面搭载了两款电推进发动机。
在这不到十年时间里,中国的霍尔推力器技术追赶得很快。
801所已经先后推出了HET-80、HET-300两款霍尔推力器,这次新出的推力器,按照801所此前的计划, 编号应为"HET-1500",也就是说最大输出推力1.5牛。
而我国这次做出来的霍尔推力器,标志着中国在电推进领域一个里程碑式的进步。
接下来还会有HET-3000,功率达到50KW,进一步拉近与美国X3的差距。
美国X3离子推进器直径80厘米,重230公斤,实现了功率从5kW到102kW的运行测试,运行电流250安培,推力5.4牛顿。
从外观上看,这是采用了多环嵌套设计,相比传统单环构型,是算得上"是超级版霍尔推力器。"美国的下一个目标,是500kW功率,理论推力可以达到30牛。
结语
这就是科技的力量,仅仅能推动一张纸的动力,放在太空中却拥有着无限的可能,它代表着"星辰大海"。
到目前为止,中国推力也更上一层台阶,这款推力器的原理样机研制成功,是振奋人心的。
中国的航天航空事业起步很晚,但是经过一代又一代人的努力不断完善中国的航天事业,相信凭借中国科研人员的不懈努力,也会创造出更好的推力器推,带着人类的梦想,去探索更为广阔的宇宙空间。
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