航天科幻美梦成真了?欧洲成功点火吸气式电推发动机,可无限飞行

时间:18-03-20 栏目:航天 作者:admin 评论:0 点击: 561 次

  说起传统火箭发动机,我们都知道它的比冲不高,卫星要是进行什么机动,比如从同步转移轨道(GTO)变轨到静止轨道(GEO),得装上大量的燃料才行。科学家们发明了电推进系统,电推的比冲要高得多,最低的电热型也有900多秒,是比冲最高的氢氧火箭发动机的两倍,至于说离子电推和霍尔电推,那比冲就更高了。电推的研制和应用极大地提高了人类的航天能力,比如现在的载人火星任务,推进部分只需要SLS火箭发射一个40吨级的电推深空运输器(DST),而传统方案至少需要发射6、7枚重型火箭。

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  ▲太空发射系统(Space Launch System,简称SLS)

  电推系统靠喷出高速的带电粒子产生推力,但这些粒子可不是空穴来风,而是来自携带的工质,综合各方面因素考虑,电推发动机工质基本都用“氙”这种稀有气体。氙虽然在大气中相当稀少,但供应电推使用还是没问题的,问题在于即使是高比冲的电推发动机,等效比冲也就是3000到4000秒,虽然比化学火箭发动机是提高了大约10倍,但能提供的总冲量还是相当有限的。

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  ▲GOCE卫星

  比如欧洲著名的GOCE卫星,它在250公里高度工作,精确测量地球重力场,为了抵消高空大气阻力就使用了电推系统,40千克氙让它活跃了5年之久,但用完这些工质它也就只能坠落了。

  人心总是得陇望蜀的,普通电推发动机工作受到携带工质的限制,要是有工质无限的电推该多好呢?

  
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  ▲吸气电推想象图

  你还真别说,这种概念并非白日梦,欧空局的工程师们最近研制出了吸气式电推:根据欧空局网站3月5日的报道,欧洲工程师们在世界上成功实现吸气式电推发动机的首次点火!

  吸气式发动机对于航空航天领域并不陌生,这些天中国官媒在报道空天飞机,将来我国的空天飞机就用吸气式发动机,毕竟火箭发动机比冲实在太低了,不过“关西大汉”般张着大嘴吸气的喷气发动机,和“小家碧玉”几十毫牛推力的电推也能联系到一起?不是我不明白,是这世界变化太快。那么吸气式电推到底是怎么样的呢?

  
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  ▲吸气电推样机

  虽然一般把100公里高度的冯卡门线定为大气层和太空的分界线,但100公里以上仍然有大量空气分子,高空稀薄空气的阻力也是让卫星飞船轨道衰减乃至坠落的主要原因。

  吸气式电推不携带传统的氙工质,它被设计为在大气高层或者说超低轨道上工作,利用搜集到的空气分子做工质,取代了专门携带的氙工质,从而获得了超低轨道长时间机动飞行的能力。欧空局的吸气式电推由位于意大利的Sitael公司研制和试验,设计上在距离地面200公里高度飞行,Sitael公司的真空室能模拟200公里高度的真空环境,并利用粒子流发生器模拟迎面而来的高速空气分子,这台冲压电推或者说吸气式电推就在这样的环境下进行了试验。

  
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  ▲吸气电推原理

  作为冲压电推发动机,这台发动机并没有阀门或是其他复杂结构,设计上的挑战主要是研制新的进气道收集空气分子,值得一提的是,设计进气道的公司是波兰的QuinteScience公司。Sitael公司研制了双级推进器,它既可以使用传统氙工质工作,这时发动机喷出蓝色的“尾焰”,设计上也可以使用空气分子,该公司对进气道和电推的匹配做了全面的计算机模拟,并成功将电推和进气道整合起来。试验中发生器产生了氮氧混合的稀薄空气,吸气式电推吸入空气并喷出紫色火焰,最终获得了吸气式/冲压式电推的首次成功点火。

  
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  ▲普通电推尾焰

  
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  ▲吸气电推尾焰

  Sitael公司随后进行了多次点火试验,测试证明了这种新概念电推的可行性。随着他们的成功,吸气式电推不再是科幻小说或是论文中的概念,而是活生生的现实,随着研究和试验的进一步深入,吸气式电推迟早会装上超低轨道卫星,支持各种超低轨道/临近空间的航天飞行任务。

  说起超低轨道任务,现在低轨道通信星座更是热门:SpaceX公司的低轨道通信星座第二阶段要在340公里高度部署7518颗V波段通信卫星,相比于1100公里高度的Ka波段卫星,它将进一步降低通信延迟。SpaceX公司刚刚发射两颗测试星,第二阶段星座还遥遥无期,如果吸气式电推发展顺利的话,未来使用吸气式电推进一步降低轨道高度,缩短通信延迟也是大有可能的!

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  ▲真空室内的吸气电推

  吸气式电推在民用领域前途光明,它在军用领域同样大有可为,我国的快舟一号卫星轨道高度低,使用化学发动机变轨所以寿命补偿,如果能用上吸气式电推,快舟一号就能在更低的轨道上工作更久,提供更清晰的遥感卫片!如果大型遥感卫星能用上这种新概念电推,在200公里甚至120公里高度(KH-8近地点)长时间飞行,那卫片分辨率和质量就更好了!

  毫不夸张的说,如果这种吸气式电推将来投入使用,无论是通信、导航、遥感,还是更遥远的高超音速飞行器都将获得长足的发展,现在冷清的临近空间区域将马上热闹起来。

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