太空微力的洪荒之力,中国研发新型电推利器

太空微力的洪荒之力

吹一口气产生的力,可以熄灭一支蜡烛,也可以在太空中送航天器去火星,只要不断地“吹”,让速度随时间累积。

在地球表面,因为重力的存在,我们驱动汽车、飞机、火箭,都需要巨大的推力,但是在太空中,一只蚂蚁的重量就可以推动上百吨重的飞行器,它就是微力。微力能做什么?科学家又是如何捕捉如此小的力量?

尽管电推力器产生的推力目前仍十分轻微,却可以让人类以更低的成本进入太空,因而被国际宇航界列为未来十大尖端技术之一,成为人类进军更遥远深空的利器。

微力究竟有多小?

推进系统是人类航天发展的基石。国际上电推进技术严格保密。继美、俄、欧、日后,中国依靠自主研发,已经掌握这项当前最先进的空间推进技术,并希望进军国际电推进通信卫星市场。

微力就是非常微小的力,那么这个微小的力,到底有什么作用呢?

中国空间技术研究院通信卫星副总设计师王敏在接受新华社记者专访时说,中国将在2020年前后发射第一颗全电推进通信卫星,为国土及周边区域提供宽带通信数据传输服务。

好多小朋友过生日时,非常温馨的一个画面就是吹蜡烛,吹熄蜡烛应该是非常简单的事情,一口、两口、三口也许就把蜡烛吹灭了。但是如果这个事情发生在太空中又会是什么样呢?

在此之前,中国预计将在2016年底发射一颗混合推进通信卫星,其中化学推进用于转移轨道变轨,电推进用于同步轨道定点位置保持。此外,在未来的中国空间站上,也会使用电推进系统。

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专家介绍,电推力器主要包括离子和霍尔两种推力器,它们在本质上是相同的,都是用电能将惰性气体氙气电离,形成由离子和电子组成的等离子体,其中离子在电场作用下加速喷出,产生推力。

天宫二号是我们国家的一个空间站,它运行在离地球高度393公里的真空环境中,但是实际上由于受到真空微重力和大气阻力的作用,它的轨道会慢慢下降,它所受到阻力大约是4.6mN,4.6mN是一个非常小的力,日常生活中很难接触到这么小的力。一只蚂蚁的重量大约是50毫克,十只蚂蚁的重量就是天宫二号所受到的微阻力的大小,实际上这个力非常小,但是这么小的力就可以让空间站每天降落大约70米的高度。

王敏说,电推进消耗的推进剂仅为化学推进的十分之一。一颗典型的5吨重的化学推进通信卫星,其中3吨是燃料,2吨有效重量;如果换成全电推进,则只需300公斤推进剂。

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“如此带来的好处显而易见,卫星重量减轻后,可以一箭双星发射,也可以用便宜的小火箭发射,大大节省了发射费用,或者可安装更多有效载荷,增强卫星功能。”王敏说。

助推器的工作原理

采用全电推技术后,燃料携带量将不再成为卫星寿命的约束,通信卫星的设计寿命将突破目前15年的上限,达到18至20年。

那又是如何让空间站在那么高的高度运行呢?下图中的黄色部件就是一个小的推力器,它的作用就是产生一个力,能够抵消所受到的阻力,让飞船稳稳地站在393公里的高空,那么这种小的推力器到底是怎么起作用的呢?或者说它的工作原理又是什么呢?

专家说,全电推进的主要不足是推力小,目前仅为化学推进的几千分之一,一般不会应用到诸如运载火箭、快速入轨航天器等领域,但作为卫星、飞船、星际探测器的姿态、轨道控制的推力器,以及星际航行的动力,其优势无可比拟。

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电推进更具商业价值的应用是在通信卫星领域。此外,由于更省燃料,电推进在深空探测中的应用越来越受到重视。电推进探测器可以飞得更远,探测更多目标。

目前常用的有三种小推力器,一种是所谓的冷气推力器,它实际上非常简单,就是一个高压气瓶里面装满了高压的气体,当打开一个阀门气体排出的时候,就能产生推力,这个推力的作用就类似我们吹一口气。那么另外一种就是化学推力器,它的工作原理就是利用化学物质燃烧产生的高温高压的气体喷出,产生推力。还有一种是电推力器,这是相对比较复杂的一种推力器,它实际上是通过磁场加速电离的空气来产生推力。

目前国际上已发射5颗电推进深空探测器。其中,日本“隼鸟”号是世界上第一个到达小行星采样并返回地球的航天器。正在探测谷神星的美国“黎明”号是世界上第一个能对两颗小行星详细探测的航天器。

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目前,中国电推力器的功率达到1千瓦至5千瓦量级。中国空间技术研究院计划在2020年完成50千瓦量级大功率推力器的关键技术攻关。如果将40个这样的推力器组成阵列,可让300吨量级的飞船在200天左右到达火星。来源:中国航空新闻网

科学家如何测量微小的推力呢?

利用测量力的推力台架,可以测试吹气的力到底有多大。

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在大气条件下,一个普通小朋友的吹气冲量是65mNS,换算为太空条件,这个65mNS的冲量可以让量子卫星跑5万公里。这个实验说明,其实一个很小的力在太空中可以让一个重达数百公斤的卫星飞行很远的距离。

实际上推力台架为我们国家卫星的地面发动机做了很大的贡献,这个台架在航天部门地面实验里面是应用过的,它本质上是一个高精度的天平的扭摆系统,它的基本原理就是通过把力转化为位移进行测量,它的测力范围大约是在1-1000mN,可以做mN量级的微力测试。

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这个台架实际上是一个非常精密的力学系统,它本质上能做到在重量很重的台架上测到非常小的位移,因为这个台架非常灵敏,周围人的走动都会影响到台架的稳定性。那么科学家必须为其增加一个阻尼系统,让这个台架在工作情况下要迅速停下来,以便进行下一次实验。上面没有阻尼的话,它可以在空气中摆动大约半个小时才能够停下来,但是如果加了阻尼,大约就几秒钟就可以停下来。

微力的作用是巨大的,尤其在空间探索领域,它能够让太空飞船和空间站对接在一起,在太空中稳稳地运行,同时它也能够推动火星探测器,或者说其他飞行器飞向别的星球,去探索未知的太空。

(作者:李飞 高温气体动力学国家重点实验室副研究员)

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