離子發動機,很有意思的東西!

離子發動機,為空間電推進技術中的一種,其特點是推力小、比衝高、效率高,廣泛應用於空間推進,如航天器姿態控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等。其原理是先將氣態工質電離,並在強電場作用下將離子加速噴出,通過反作用力推動衛星進行姿態調整或者軌道轉移任務。與傳統的化學推進方式相比,離子推力器需要的工質質量小,是已經實用化的推進技術中最為適合長距離航行的。離子推進器是一種動力裝置,可為航天器提供動力。

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圖中噴出的藍色火焰就是高速離子流

技術原理

傳統的火箭是通過尾部噴出高速的氣體實現向前推進的。離子推進器也是採用同樣的噴氣式原理,但是它並不是採用燃料燃燒而排出熾熱的氣體,而是通過電能作用於工質激發高速離子流向後推進。它所噴出的是一束帶電粒子或是離子。它所提供的推動力相對較弱許多,但關鍵的是這種離子推進器所需要的燃料比普通火箭少得多。只要離子推進器能夠長期保持性能穩定,它最終將能夠把太空飛船加速到更高的速度。

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什麼是高速離子流?

首先,我們要準備一些惰性氣體,常用的是氙氣。向氙氣施加少量電荷,使其電離,形成離子(所以只有使用惰性氣體才不會受電離腐蝕):

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隨後我們再對其施加強大的電壓(一般是通過霍爾效應產生),帶電離子就可以在霍爾電場中加速,以9萬英里(14.5萬公里)的時速衝出柵格、噴射出去,這就形成了反推力。

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優勢

傳統發動機需要的是燃燒燃料來加熱氣體,而離子發動機需要的是電力,我們只要在飛船上安裝一些太陽能電池板,就可以利用源源不斷的太陽能轉化成的電能來加速離子了!

既然高速離子流的噴射速度那麼快、用於加速的電能又幾乎是取之不盡用之不竭的,我們為什麼還沒有淘汰傳統發動機呢?

因為離子的半徑一般只有10的負十次方米!因此,即使離子流的速度再高,它的動能也是微乎其微的。實驗表明,離子推進系統的推力大概只能吹得動一張紙……

但當飛船已經到達了宇宙空間,要開始漫長探險旅程的時候,離子發動機就派上用場了!因為即使加速度再小,推上個十年八年,也會達到很高的速度!既然這樣的加速無需耗費燃料,我們完全可以等待飛船在太空中慢慢完成它的科研使命。

相關應用

這項技術已經在一些太空飛船上應用到了,比如日本的“隼鳥”太空探測器,我國“實踐9號”衛星,歐洲的“智能1號”太空船和美國的”黎明號“等,而且技術已經取得了很大的進步。未來最有希望成為更遠外太空旅行飛船推進器的可能就是VASIMR等離子火箭。這種火箭與一般的離子推進器稍有不同。普通的離子推進器是利用強大的電磁場來加速離子體,而VASIMR等離子火箭則是利用射頻發生器將離子加熱到100萬攝氏度。在強大的磁場中,離子以固定的頻率旋轉,將射頻發生器調諧到這個頻率,給離子注入特強的能量,並不斷增加推進力。試驗初步證明,如果一切順利,VASIMR等離子火箭將能夠推動載人飛船在39天內到達火星。

小推力、長時間航行的現代太空航行大幕已經開啟,離子發動機在將來必定成為其核心部


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