霍尔推进器,目前人类已知最有可能的太空旅行发动机

资讯 2个月前 千度导航
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人类目前所有的火箭发动机,其基本原理都是往后扔东西,来获得反推力,学过高中物理的,都知道这是牛顿老爷子的第三定律,还有动量守恒,想要获得更大的推力,有两条路,一条是往后扔更多的东西,一条是同样的东西,以更快的速度往后扔,第一条明显不行,所以,所有的火箭发动机,都是围绕着第二条,各种改进。

火箭就是比看谁能喷

为了让燃料能以更快的速度朝后喷,那最少得让它燃烧更充分,所以火箭发动机都自带液氧,然后各种燃料都是想办法怎么以更快的速度燃烧,产生更多的气体,但是目前,燃料喷射速度基本在2-5km/s之间,想再往上升就很难了,因为TNT的爆速也不过7km/s,用炸药当燃料,火箭体得做得很坚固,会造成质量太大。

这5km/s的喷射速度,已经是目前化学燃料的极限了,听起来速度也很高了,但是对于太空飞行来说,这根本不顶用,当年土星五号运载火箭,起飞重量3038.5吨,有2300吨都是液氧和煤油,一级火箭每秒消耗燃料13吨,总推力达3408吨,却只能把45吨的东西运到月球轨道,近地轨道的运载能力是118吨,这已经是目前人类顶级了。

霍尔推进器,目前人类已知最有可能的太空旅行发动机

人类最强火箭,土星5号。

想要在太空旅行,那就必须摆脱化学燃料的范围,人类创造出比5km/s更快速度的东西,就是各种高能离子了,经过电场的加速,离子的速度能达到30km/s,这速度可是相当高了,于是离子发动机出现了,基本原理就是把东西电离了,然后利用电场把离子加速,这东西高二物理讲的很多,上过高中的,应该都懂。

1998年美国深空1号,采用离子发动机,喷口速度30km/s,推力只有90毫牛,工作一整天只喷了100克燃料,给卫星增加了10m/s的速度,好在这东西喷得东西真不多,带不多的燃料,够它喷好长时间的了,太空又没有阻力,慢慢积累起来,这速度也是扛扛的,也可以利用弹弓效应给自己加速。

2019年,日本隼鸟二号探测器在3亿公里外的小行星成功取样,用的就是微波离子发动机,采用微波把燃料电离。

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日本隼鸟二号

离子发动机原理不难,但是问题还是不少的,不管喷出的是正离子,还是负离子,被加速后的离子终归是从正负极喷出去的,为了不让高速离子撞到正负极上,把正负极做成了格栅状,高速离子从格栅的空隙中飞出去,但总归有打在正负极上的高速离子,使整体效率降低,正负极得经受高速离子的冲击腐蚀,对材料要求极高。

怎么改进呢,于是就有了霍尔发动机,利用霍尔效应,电流在磁场中流动,正负离子受到洛伦兹力的作用,(也是高二物理讲的,左手定则伙伴们还记得吗),朝两个相反方向运动,于是电离和加速就合二为一了,然后经过各种复杂的设计,喷口成圆环状,也不会再有格栅的阻挡,真的是美滋滋。

霍尔推进器,目前人类已知最有可能的太空旅行发动机

好科幻,有没有

易电离的原子都可以作为推进剂。当前主流推进剂是氙,不过这东西太稀有,不好大规模装备。所以就有了如锌、氮、碘、镁、铋等各种推进剂,光谱都不一样,很是好看。

霍尔推进器,目前人类已知最有可能的太空旅行发动机

高轨道卫星所处环境,基本上是太空,没有阻力,几乎可以永远地绕着地球飞行,近轨卫星就不行了,受极其稀薄的气体阻力影响,轨道其实是逐渐降低的,比如国际空间站,每天轨道高度下降约66米,一个月累积起来,高度会下降2公里。所以就得定期启动轨道控制发动机,抬升一下轨道,以防掉回地球,国际空间站为此每年需要燃烧7.5吨的推进剂,需要定期由货运飞船送推进剂上太空,成本达2亿美元。

我们的空间站天和核心舱上配备了4台霍尔电推进器,虽然它们的推力非常小,只有0.33牛,但持续运行一天,就可以让空间站产生大约0.7米/秒的速度增量,完全可以用来空间站的轨道维持。持续工作,也只耗费一点点燃料,电力来源于巨大的太阳能板,可以认为电力来源是无限的。

霍尔推进器,目前人类已知最有可能的太空旅行发动机

2015年SpaceX发射了两颗全电推进的通信卫星,安装了4台XIPS-25离子推进器,推力165毫牛,这点力,我估计连各位放个屁的推力大都没有,但是这俩卫星就靠这点放屁大的推力,从转移轨道爬到了3.6万公里高的同步轨道。

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全电推进

化学火箭推力大,但一般十几分钟就烧完了,离子推进器则相反,体积不大,力道也很小,但可以持续几个月不间断工作,在太空中累积起来,也是不得了的速度变化,现在轨道定位、控制姿态基本是离子推进的天下了。

目前,离子发动机喷射速度最快的是VASIMR的300km/s,这是老美的新玩意,名字是可变比冲磁等离子体发动机,就是先把离子加热到100万度,学过物理的都知道,高温下,离子的运动速度本身就是很高的,然后再用电场加速,就能极大提高喷射速度,不过东西太耗电了,在太空中,就靠那几个太阳能板,根本不够用,本身质量也太大。

于是,新思路又出现了,利用聚变反应产生的高温等离子体,再用电场加速,喷口速度可以达到20000km/s,在这种喷射速度下,只要每秒喷出4克燃料,推力就达到了8万牛,以天宫一号空间站为例,它重约8吨, 这推力能让天宫一号产生1G的加速度,在太空中没有阻力,以这个加速度不停加速下去,到月球只需3.5小时,到太阳系最远的海王星,只需16天,追上已经飞了43年、211亿公里外的旅行者1号,只需24天,而当年的阿波罗号去月球花了3天,旅行者2号去海王星花了12年,因为他们在飞行中是没有动力的,最初的速度都是火箭给的,然后就以这个速度在太空里面飘。

想想是不是很美好啊,但是目前只是理论而已,可控核聚变还没搞定,如果把这个东西搞定,地球上就再也没有能源危机了,太空旅行也即将到来,希望在我有生之年,能看到这一天的到来吧。

版权声明:千度导航 发表于 2022年6月15日 00:17。
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