航天:BepiColombo航天器将采用目前最强大的离子发动机探索水星

少数航天器使用离子发动机到达目的地,但没有一艘航天器的发动机像BepiColombo航天器的发动机那样强大。BepiColombo是欧洲航天局(ESA)和日本太空探索机构(JAXA)的联合任务。它于2018年10月20日发射,经过了数周的飞行调试。周日,它第一次打开了强大的离子推进器。

航天:BepiColombo航天器将采用目前最强大的离子发动机探索水星

“我们信任推进器,他们没有让我们失望。——冈瑟·哈辛格,欧洲航天局科学主任。

BepiColombo由三部分组成。它有两个轨道器,水星行星轨道器(MPO)由ESA建造,水星磁层轨道器(MMO)由JAXA建造。第三部分是欧洲航天局建造的水星传送模块(MTM)。MTM是飞船的推进部分,包含飞船的四个离子引擎。

当BepiColombo在周日打开引擎时,经过了一周多的测试。每一个推进器都是单独发射的,并经过仔细的监测和测试。这是离子引擎第一次在太空发射。

“电力推进技术是非常新颖和极其精细的,”BepiColombo航天器运营经理Elsa Montagnon解释说。“这意味着BepiColombo的四个推进器必须在发射后进行彻底检查,缓慢地逐个打开,并密切监测它们在飞船上的功能和效果。”

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离子发动机的测试被精确地计时,以配合航天器任务中的一个通讯窗口。在这段时间内,BepiColombo仍然可以连续看到地球上的天线,使地勤人员能够在关键的发动机测试期间与航天器保持通信。

这个通讯窗口在任务期间只会出现一次,这是唯一一次详细检查离子引擎的机会。一旦12月中旬到来,而且发动机的点火更加常规,航天器的位置意味着天线将不会指向地球,因此任务操作者将无法获得与航天器相同的鸟瞰图。

“看到推进器第一次在太空工作是一个激动人心的时刻,也是一个巨大的安慰。”——欧空局运营主管保罗•费里(Paolo Ferri)。

第一台发动机于11月20日试车,经过一段时间后,进入全油门状态。它保持最大功率5小时,然后对其他三个引擎重复这个过程。在整个过程中,离子发动机的性能被精确地监控。飞行动力学小组确定,在前两次发射中,飞船的表现偏差在其预期值的2%以内。对最后两次测试正在进行中,但如果是同样的效果,那么BepiColombo已经走上正轨。

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“看到推进器第一次在太空工作是一个激动人心的时刻,也是一个巨大的安慰。”BepiColombo 7年的水星之旅将包括22个离子推力弧——我们绝对需要健康且性能良好的推进器来完成这次长途旅行。“每个推进器燃烧的电弧持续时间最长可达两个月,与持续数分钟或数小时的传统高能化学燃料燃烧相比,燃料越少,加速效果越好。”

第一个常规的电力推进推力弧将于12月中旬开始,引导BepiColombo沿行星际轨道运行,并在2020年4月与地球擦边之前优化其轨道。此后,它将两次飞越金星,分别在2020年和2021年。然后,从2021年到2025年,它将六次飞越水星。2025年12月,这两个轨道器将与水星转移模块分离,进入水星轨道。

BepiColombo上的离子发动机是四个QinetiQ T6离子推进器。它们单独或成对运行,提供最大的联合推力290mn (millinewtons),这使得它成为太空中最强大的离子发动机。相比之下,美国国家航空航天局(NASA)的曙光号(Dawn)宇宙飞船使用的Nstar离子引擎只能产生92mn的推力。

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BepiColombo的离子引擎不仅是航天器上使用过的最强大的,而且是一种突破性的设计。QinetiQ T6栅格离子推进器也被称为太阳能电力推进系统(SEPS)。因为它是由太阳能驱动的,所以它是一个超级高效的系统,并且能够以最小的燃料消耗达到最大的速度。从视觉上看,离子引擎发出的蓝光能让人平静下来。

在离子引擎中,什么也没有燃烧。它们利用电来推动燃料中的正离子,也就是氙气,从而产生推力。氙并没有被燃烧,事实上,它也不能被燃烧。但是离子引擎有一个妙处。虽然它们产生的推力不大,但在太空中是可持续的。在BepiColombo的例子中,推进器的燃烧可以持续两个月,在这段时间内它们会持续加速。

“我们信任推进器,不会让我们失望。欧洲航天局科学主任冈瑟·哈辛格说:“我们现在正通过电动装置前往水星。“这让我们更接近揭开这颗神秘最深处行星的秘密,并最终揭开太阳系的形成之谜。”


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