在电影《黑衣人3》中,讲述了地球上的外星人管理特工J和K的故事,其中有许多奇思妙想,让人拍手称赞。电影里出现了一个造型十分奇特的单人飞行载具——一个 超大的喷气发动机背包 。 喷气发动机背包构想模型 这个飞行器几乎有 一辆巴士那么大 ,但却 只能载一个人飞行 。这部电影上映于2012年,在当时,即便是想象中的故事,都必须要那么大的飞行器才能搭载一个人上天。 这个飞行器的灵感肯定是受到现实的影响才产生的,因为现实中想要将什么东西送到天上去,真的必须做出那么大的飞行器才行,因为 飞行器不够大,化学燃料装不下 。 很多人其实都知道化学燃料是航空航天业发展的众多桎梏之一,要将卫星送到天上的 火箭 单个都重达 几千吨 ,但这其中有 90%的重量都来自于化学燃料 。 火箭升空 可以说如果人类继续使用化学燃料作为主要推进方式,那么人类将无法向更加遥远的宇宙探索,因为 化学燃料真的太重了 。 科学家们为了打破化学燃料的限制,不停地找寻更好的 推进加速 方法,这其中 离子电推 ,就是一种十分优秀的选择。 什么是离子电推? 离子电推又名离子推进器、霍尔推进器。离子推进器的原理其实十分简单,那就是使用电子枪 发射电子 ,电子撞 击 气体室中的 气体原子 , 将原子外层的电子撞飞 ,制造出 带正电的离子 ,然后使用带负电的电场 加速 这个正离子。 电子枪电路原理图 被电场加速的正离子气体, 速度可以达到10~80公里每秒 ,被高速喷射离去的离子会 为推进器提供一定的推力 ,但由于被加速后的正离子气体状态已经十分接近没有质量的光子,它的质量十分轻,所以即便加速度很夸张,但是 在低质量的前提下,只能提供很小的反推力 。 离子推进器的原理其实与手电筒很像,手电筒 将电能转化为光能 ,光子快速从灯泡中射出,带走电池中的质量。只不过光子是一种没有任何质量的粒子,因此不会对手电筒产生任何推动力,而 被加速的正离子气体却拥有质量 ,因此能持续 提供反作用力 。 X3离子推进器 一直以来,离子推进器能提供的推进力只能以毫牛为单位计算。一般我们计算力度的单位都是N牛,在地球上, 提起一千克的物体,就需要9.8牛 ,而一千毫牛才等于一牛。简单来说,这个 离子推进器的推进力大约相当于提起几克重物体的力量 。 离子推进器的优势 看到这里,大家是否觉得离子推进器实在是弱爆了,只有那么一点点推动力,简直没有存在的意义。 事实上,离子推进器的确 无法完全替代化学燃料的作用 ,因为化学燃料可以通过燃烧 将上千吨的重量在几秒钟之内加速到几公里每秒的速度 。 化学燃料的威力 在其实目前我们能够制造的所有推进器,都属于 工质推进器 。所谓工质,就是要将物质加速后,将其抛离,获得相应的反作用力,因此只要 燃烧的效率更强,抛射燃料的速度更快,飞船就能获得更快的加速度 。 为了获得巨大的推进力,所以燃料的重量也是十分重要的一项指标,但是随着技术的发展, 燃料的重量渐渐反过来影响加速了 。想要得到更多的加速度,就必须 抛射燃烧更多的燃料 ,但燃料本身的重量却 让加速度被拉低 。 火箭内部结构 目前火箭的发射都是使用高压喷射的方式将燃料喷射出来,然后再 辅以高效氧化剂加速燃烧 ,这种方法基本已经达到 化学燃料的最高瓶颈 了,单次火焰喷射产生的加速度可以达到几公里每秒,但是受限于燃料本身的重量,无法将所有加速度都作用到飞船上,而且化学燃料的加速度往往 只能持续几分钟 ,再之后必然会出现后继无力的情况。 离子推进器虽然推力很小,但它的优势也十分明显,它的燃料重量很轻,工质加速效率很高,简单来说,就是 使用很轻的气体储备,就能获得一段持续时间很长的加速度 。 飞船将会在很长一段时间内不停地累加速度,如果时间允许,在太空没有空气阻力的环境中,离子推进器可以将飞船加速到 气体喷射速度的上限 ,也就是 80公里每秒 。 飞船气体喷射 推力小是离子推进器的致命弱点,这意味着 它永远无法将一个相对静止的物体加速 ,也就是它永远都无法用于火箭起飞之类的作用,将飞船送到太空中,还是需要依靠简单粗暴的化学燃料。 当飞船已经在太空中之后,离子推进器的作用才能正式体现出来,因为宇宙中飞船失去重力的桎梏, 即便是毫牛级的推力也能推动飞船 ,然后在离子推进器的持续运转中为飞船 源源不断地提供加速度 。 NASA的离子推进器 因此离子推进器与化学燃料推进器其实 属于互补的状态 ,因为在太空环境中,如果用化学燃料就还 需要额外补充氧气助燃才能推动 ,而且化学燃料的重量也不适合将其送上太空。 中国空间站的离子电推有多牛? 目前离子推进器已经在众多卫星和飞船上使用,主要的作用就是提供持续的加速度,避免因为速度下降飞船被地球的重力拉近大气层中,除此之外, 离子推进器还能为飞船提供调整方向的速度 。 除了作用在飞船上,离子推进器还可以用作宇航员的 出舱飞行背包 上,离子推进器的高比冲特点,意味着 只需要携带很少的燃料就能持续提供加速到很长时间 。 宇航员出舱飞行包 我们中国的 天宫空间站核心舱也使用了离子推进器 ,它的发动机是LHT-100型霍尔电推,这是我国兰州空间技术物理研究所自主研发改进的离子推进器。 "天宫一号"结构图 这是一个可以持续运转十年以上的推进器,持续推力达到80毫牛, 每年消耗的燃料只有一百公斤以下 ,这个燃料消耗量是国际空间站的二十分之一。 LHT-100型霍尔电推 虽然离子推进器的技术早在几十年前就已经出现,美国、日本、苏联等航天器都有对其应用,但是相比起来,我们中国空间站的 粒子电推技术 发扬了我们国家的传统技能,别人没有的我们要有,别人有的我们要 做得更好 。 比起其他国家的离子推进器,我们国家的离子电推是 世界上第一个装载在载人航空器上的离子推进器 。 中国离子电推 载人空间站移动时需要用到的能量远超无人卫星,原本预计需要两吨化学燃料才足够空间站使用的,但是在使用中国离子电推之后, 仅仅需要400千克重的能量 。 这让我们的 中国空间站升空成本大幅下降 ,要知道每一公斤的升空成本就起码要将近20万人民币,离子电推为空间站省了1.6吨的重量,相当于 节省了3.2亿人民币 。 更为重要的是,我们是世界上仅次于美国, 第二个实现牛级离子推进器 的国家,虽然空间站上使用的LHT-100型霍尔电推依旧是毫牛级推进器,但是这次应用更多的是中国离子电推技术研发成果的意义。 LHT-100型霍尔电推 拥有高比冲优势的离子电推, 可以让中国空间站在太空中运行更长的时间,超越美国空间站。 粒子电推主要使用 电能推动 ,这可以通过 太阳能发电板 轻松补充, 抛弃化学燃料 。 另外,空间站的燃料是需要通过货运飞船进行补给的,使用原本使用化学燃料时就需要 定期派货运飞船上天补充燃料 ,而使用离子电推的好处就是 几十年的运行都不需要再额外补充燃料 。 未来的星际航行方式 对于星际探索来说,速度就是人类最大的桎梏,目前最快的人类造物仍旧是 在两百多亿公里以外的旅行者一号 ,而它的速度也只有17公里每秒而已,相当于 一万六千分之一的光速 ,以这个速度,即便是 距离地球最近的比邻星 ,我们也需要将近 五万年 的时间才能抵达。 旅行者一号 而旅行者一号 加速到第三宇宙速度,本身就已经十分困难 ,由于飞船上无法有效依靠化学燃料提供推进力,因此它是依靠木星和土星的引力进行加速,才勉强达到第三宇宙速度的。 但是如果使用离子推进器,再配合上星球的 引力弹弓效应 ,那么我们的飞行器将可以达到更快的速度,最高可能会达到八十公里每秒的速度,相对于旅行者一号已经 快了四倍多 。 "引力弹弓效应" 但是依靠这个速度依旧是无法很好地探索太空,因此离子推进器其实也 只能在探索太阳系周边的空间起到作用 ,再远的地方,就需要达到更快的速度。 核能脉冲推进 这是一种十分极端的加速方法,简单来说就是 利用核爆的冲击力为飞船加速 。美国国防部曾经建立了 "猎户计划" ,认真实验了这个方案的可行性,目的就是 设计出一款达到百分之一光速的飞船出来 。 在设想中,这个飞船需要有一个 巨大的激波吸收器 ,这样才能获得核爆产生的冲击力,然后飞船还需要有一个 辐射防护罩 ,因为核裂变时往往会产生高放射性的辐射,这对人类往往是致命的。但是这个计划最终还是没有实现,因为以人类现在的技术,还 无法将核裂变反应堆的能量都作用在飞船之上 。 核反应堆体积惊人 核聚变火箭 核聚变 是一种 更优于核裂变 的核能利用方式,目前人类能制造出来的核聚变反应只有一次性的氢弹,而可控核聚变正是全人类努力发展的一项技术。 利用核聚变就能 持续产生强大的热能 ,借助这个能量就能为飞船持续提供加速度,拥有核聚变发动机的飞船,将有可能加速到 20%光速 。 但是现阶段的研究中,核聚变的产生装置,是一个很像高压锅的真空装置,主要依产生超强的电磁场, 将上亿度高温的核聚变反应与物质隔离开来 ,产生电磁场的线圈十分沉重且巨大,不然无法产生足够强大的磁场。 核聚变反应图示 简单来说,现阶段研究的可控核聚变还没成功,即便成功了核聚变的装置也会十分沉重,以现在人类的技术还 无法将如此沉重的装置装在飞船 。 但核聚变飞船是一个相对可行的宇宙飞船加速方案, 预计在五十年后,就有希望看到可控核聚变的出现 。 结语 离子推进器的研发,证明了 即便推力微小,在太空中也能发挥出巨大的作用 。太空环境与地球是完全不同的,并不能依靠地面上的常理去考虑如何发展太空。 时不我待,只争朝夕 未来,我国的离子推进器还会越来越完善,对太空的探索也将越来越深入,中国航天乃至整个中国工业, 努力奋进的成果不会令人失望 !