等離子發(fā)動機

電推進系統(tǒng)的一種等離子發(fā)動機01簡介分類發(fā)展問題工作原理只差一步目錄03050204基本信息等離子發(fā)動機是電推進系統(tǒng)的一種，并已經(jīng)在國內(nèi)外應用相當成熟，其應用的主要介質(zhì)就是等離子體。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅(qū)動航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。簡介簡介在科幻小說中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動力。但在現(xiàn)實中，火箭推進器的發(fā)動機技術(shù)，根本無法實現(xiàn)這一點。相對于裸露在外的推進劑儲箱，化學火箭的發(fā)動機看上去很小，但它的胃口很大?！俺缘枚啵苫畹男蕝s不高。”張福林說。這種發(fā)動機吞噬掉的海量能源，只在提供短期動力方面有效——儲存的燃料很快用完，推進器馬上被當成垃圾扔掉?；瘜W火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩余的一點則被用來推動火箭的“太空滑行”?；鸺w往目的地，僅僅是依靠慣性。對于星際飛行來說，這種引擎顯然力不從心?！巴列?號”就是典型代表。它的第一級裝有2075噸液氧煤油推進劑。一旦發(fā)動機點火，它可以在2分34秒內(nèi)全部“喝”完這些“飲料”。高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，卻僅僅夠?qū)?7噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產(chǎn)生的3500噸推力中，很大一部分被用來“拖”起火箭自身和2000多噸燃料。所以它的“比沖量”并不高，只有300多秒，表明了它的推進效率的低下。這就是為什么要將一個質(zhì)量很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大火箭的原因。等離子發(fā)動機，或者俗稱的“離子推進器”采取了一種和化學火箭完全不同的設(shè)計思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅(qū)動航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。工作原理工作原理主要工作機理是:在發(fā)動機的陽極和陰極間施加軸向的電場，由帶電線圈產(chǎn)生徑向方向的磁場，電子被磁場束縛，做周向的hall漂移，與通道內(nèi)的中性原子碰撞，產(chǎn)生離子，離子被電場加速高速噴出從而產(chǎn)生推力。由于離子的質(zhì)量與電子的質(zhì)量相比較大，離子的運動幾乎不受磁場的影響。

分類分類航天的系統(tǒng)分為化學推進和電推進兩種系統(tǒng)，中國幾乎都是使用的化學推進系統(tǒng)。但是電推進比化學推進有以下的優(yōu)點：1、電推進不受化學推進劑可釋放化學能大小的限制。經(jīng)驗表明一般化學推進劑的能量為70MJ/kg。電推進不受這些限制，它理論上可以達到任何能量。2、電推進的比沖比化學推進的比沖高很多由于電推進比化學推進的比沖大得多，所以它所需的推進劑將會少的多，從而增加衛(wèi)星的有效載荷，提高衛(wèi)星性能和效益。但是電推進也有它的缺點，比如它僅能應用于小推力系統(tǒng)。低推力、高比沖的性質(zhì)使得電推進的主要應用為:位置保持、重定位和姿態(tài)控制。對一些在軌推進的任務(wù)，電推進有明顯的優(yōu)勢。它可以獲得比化學推進更準確的姿態(tài)和化學控制。對一些重定位的任務(wù)，重定位的速度會更快并且能量消耗也更少。30年前，在哥斯達黎加出生，有1/4華人血統(tǒng)的張福林（FranklinR.ChangDiaz）還在麻省理工大學攻讀等離子物理學博士學位時就這么認為。到了2009年6月，作為前航天員兼物理學家，AdAstra火箭公司創(chuàng)始人、首席設(shè)計師，張福林帶領(lǐng)著團隊成功測試了VASIMR的第一節(jié)引擎后，對這一觀點更加堅定。VASIMR，全功率可變比沖的磁等離子體火箭（Variable-specific-impulsemagnetoplasmarocket），盡管離最終完善仍有距離，但已經(jīng)在航天界中引起了巨大反響。只差一步只差一步建造VASIMR就是張福林在20世紀70年代提出的主意。它能同時具有化學火箭發(fā)動機和離子發(fā)動機的能力。傳統(tǒng)化學火箭發(fā)動機擁有高推力、低比沖，離子發(fā)動機則是低推力、高比沖。而VASIMR，它能在高推力、低比沖和低推力、高比沖之間的自由轉(zhuǎn)換，在這兩者之間調(diào)整參數(shù)，所以被稱作“可變比沖”。張福林一直致力于該項目研究，但之后的20多年里他忙于作為宇航員7次進入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了AdAstra火箭公司，試驗場就在他的出生地哥斯達黎加附近的航空中心。突破性成果在2008年到來，這就是VX-200等離子引擎測試臺，它利用氬氣作為推進劑的第一階段達到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統(tǒng)的等離子發(fā)動機：比沖在3000~秒之間隨意轉(zhuǎn)換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉(zhuǎn)換效率高達67%。張福林說：“用它飛到火星只需39天，這樣能節(jié)省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長時間的宇宙射線輻射?！盫X-200分為三部分：在前部單元里，首先是把噴出的氣體電離生成等離子體，類似于在蒸汽機里燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線（heliconRFantennas）來實現(xiàn)；中部單元充當放大器，它用電磁波的能量進一步把等離子體加熱到幾百萬度；而尾部單元的磁性噴嘴可將等離子體的能量轉(zhuǎn)化為噴氣口的速度，從而產(chǎn)生反向的推力。張福林解釋說，VX-200使用了新的算法來控制和穩(wěn)定等離子體，主要是控制超導磁場。通常來說，火箭發(fā)射時噴射氣體溫度越高，比沖量就越高。為最大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當于太陽中心的溫度。發(fā)展問題發(fā)展問題核動力還是太陽能？“VASIMR最終將是一個核電火箭發(fā)動機。”張福林認為，因為目前最好的動力來源就是核反應堆。等離子發(fā)動機需要超長的持續(xù)電力供應，用核裂變反應堆為VASIMR提供電力，能很輕松地將人們帶到火星，使用的燃料比化學火箭少很多，飛行時間也會少很多。這要求攜帶一個電力供應裝置。但是VASIMR的主要買家NASA卻始終對它的動力源守口如瓶。他們所說的能源方式是使用一個巨大的太陽能電池板。但電池板的效率不夠高，如果想往外圍的深空繼續(xù)進發(fā)，或者運送更大的載重，就必須獲得更大的電能，至少應該達到以兆瓦計算的規(guī)模，而目前的VASIMR最多也就200千瓦。對太陽能電力系統(tǒng)進行改進以增加太陽能的利用效率，唯一可預期的方式是使用納米技術(shù)，但需要多久才能發(fā)展出能實用、可靠的技術(shù)呢？還沒有答案。唯一的選擇就是使用核電系統(tǒng)，NASA的表態(tài)可能是考慮到安全問題，以及公眾的“談核色變”?！昂苊黠@，核裂變只要設(shè)計正確，操作維護認真，是可以安全運行的?！盫ASIMR研究項目小組的負責人對使用核技術(shù)并不回避，他說：“V