打破太陽系枷鎖:霍爾推進器

離子發動機、光子發動機、霍爾推進器……莫急,咱們先給這些充滿科幻色彩的概念劃一條邊界。

截止今天為止,人類所有的火箭發動機,都是依靠向外扔東西產生的反作用力獲取動力,學術點說就是動量守恆定律。

現有的物理理論,對引力空間的認識水平和神棍差不多,完全不存在動量守恆之外的發動機原理。

因此在很長一段時間內,發動機還得靠扔東西產生動力,扔得越快,動力越大。

非常抱歉,混了這麼多年還是牛頓第三定律。

火箭極限

所以,但凡想上天的發動機,都是圍繞“如何更快地扔燃料”而設計的。

比如飛機發動機,為了扔得更快,就拼命倒燃料,燃燒需要空氣,於是就在發動機裡裝了一臺抽風機。但是空氣的含氧量只有20%,就算抽風機把空氣壓縮成液體塞到燃燒室裡,其實也沒多少氧氣,所以燃料噴射速度並不快,只有每秒幾百米,這對火箭來說簡直就是塞牙縫。

火箭發動機自帶純氧,燃燒當然更充分,燃料噴射速度能達到2-5km/s。可惜這麼多年過去了,最好的燃料依然還是液氫液氧,想要更快,就得用炸藥了。

炸藥的爆炸速度一般是7km/s,不過用炸藥當燃料,一般人可吃不消。

總的來說,如果不考慮尚未實用的全氮陰離子鹽,這大概就是化學燃料的極限了。

打破太陽系枷鎖:霍爾推進器

說得有點抽象,本僧來秀一把硬核計算。假設把20噸貨送到近地軌道,不考慮空氣阻力、勢能和火箭乾重:

若燃料噴射速度是600m/s,則需1000萬噸燃料。這是飛機發動機的水平。

若燃料噴射速度是2.5km/s,則需451噸燃料。這是當前主流火箭的及格線。

若燃料噴射速度是5km/s,則需77噸燃料。接近當前化學燃料的理論極限。

若燃料噴射速度是30km/s,則需6噸燃料。霍爾推進器的噴射速度。

若燃料噴射速度是300km/s,僅需534公斤燃料。據說這是僅靠現有技術就能壓榨出的離子發動機的全部潛力。

不過理論上,只要電壓足夠大,離子可以無限接近光速,比如對撞機能把粒子加速到光速的99%以上,若是把這當成發動機噴射燃料的速度……把20噸貨送到近地軌道,僅需532克燃料。

前景算是很美好了,下面該倒苦水了。

離子發動機

你可能想不到,像離子發動機這麼科幻的裝置,居然在1959年NASA的考夫曼就搞出來了。

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考夫曼與他手中的離子推力器

其大概原理和電磁炮差不多,如下圖:先將汞注入電離室,然後電子槍注入電子,用線圈加速電子轟擊汞原子製造出汞離子,汞離子呈正電,用後面正負柵板產生的電場加速噴出產生推力。

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在出口附近再裝一把電子槍,向離子束注入電子,使其中性化,恢復成原子。不然帶電離子會沾滿整個航天器,發動機內部也會積累電子產生靜電,各種麻煩。

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簡單來說,前面用電子槍電離,後面用電場加速,原理一目瞭然。不過考慮到推進效率和腐蝕性,現在使用的推進劑大多使用惰性氣體氙。

1998年美國“深空1號”彗星探測器首次將離子發動機作為主力推進系統應用在深空飛行,發動機自重只有8公斤,僅攜帶82千克氙就進行了20個月的飛行。

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電離不一定非得用電子轟擊,比如把鹽扔到水中就可以得到氯離子和鈉離子,還比如,微波也可以直接電離氣體。

2019年有個大新聞,日本隼鳥二號探測器在3億公里外的小行星成功取樣,用的就是微波離子發動機,採用微波電離。

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在小行星降落、取樣、上升,一氣呵成

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離子推進器的原理和結構並不複雜,但問題也很多。比如後面正負極的加速格柵就很礙事,不但效率不行,還得經受高速離子的衝擊腐蝕,對材料要求賊高。

於是,大家就想起了霍爾。

霍爾推進器

相比原理單純的離子推進器,霍爾推進器的原理就有些燒腦了,小盆友們看出點感覺就行。

先說下霍爾效應:電流在磁場中通過時,電子或離子會橫向移動,導致導體有個橫向的電勢差。就好像長江水流有個橫向的作用力,使南岸的水位比北岸的高。

這樣的好處是,當電子(負電)和離子(正電)混在一起時,可以利用霍爾效應分開,做到一邊電離一邊加速。也就是說,霍爾推進器把電離部分和加速部分合到了一起,也就是把磁場和電場合到一起,捨棄了原先礙事的加速格柵。

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為了讓混在一起的電子和離子各司其職,磁場和電場的設計顯然更為精巧,噴口從一面篩子變成了一個環形結構。

打破太陽系枷鎖:霍爾推進器

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八仙過海

離子推進器和霍爾推進器是最主流的兩類應用,兩者差別一目瞭然。

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原理再調整一下,還能分出很多型別,比如:脈衝等離子體推進器、磁等離子體推進器、電弧加熱推進器等等。

基本思路都是先把原子電離,然後用電場轟出去。至於原理麼,本僧只負責把這組德文圖片補齊,能領悟多少就看閣下造化了:

打破太陽系枷鎖:霍爾推進器

打破太陽系枷鎖:霍爾推進器

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不過說實在的,因為本質上都是折騰離子,所以籠統地稱為“離子推進器”也沒什麼不妥。還有,發動機、推力器、推進器,只是叫法不同,都是一個意思。

離子推進器有個優點是不挑食,易電離的原子都可以作為推進劑。氙是當前主流推進劑,但人家畢竟是稀有氣體,很金貴的。所以其他推進劑也很熱門,如鋅、氮、碘、鎂、鉍等,光譜都不一樣,煞是好看。

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看起來形勢還不錯啊,為啥離子推進器以前沒咋聽說呢?這當然是因為你孤陋寡聞嘛!

積跬步至千里

離子推進器雖然噴口速度比化學發動機快一個數量級,但噴出來的東西實在太少,算到最後推力實在小的可憐,所以都用“毫牛”做單位,和放屁的力氣差不多。

因此從地面到太空還得靠化學火箭,到了太空才是離子推進器的舞臺。

1998年美國深空1號,離子發動機噴口速度接近30km/s,但工作一整天只能噴100克燃料,僅僅給衛星增加了10m/s的速度,算下來推力只有90毫牛,相當於9克的重量。

好在這玩意兒實在持久,累積工作了14000小時,期間各種加速減速,與小行星你來我往,戰功碩碩。

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離子推進器其實算不上很黑的黑科技,深空飛行已經普遍採用。一般而言,離地球200萬公里開外就算“深空”,在這種地方,笨重的化學火箭就是根廢柴。

2007年美國的Dawn黎明號小行星探測器,3臺離子推進器,推力92毫牛,累積飛行11年69億公里。

2018年歐洲宇航局發射的BepiColombo水星探測器,4臺離子推進器,合計推力290毫牛,計劃飛行7年90億公里。

歐洲SMART-1儘管只是探測月球,也使用了離子發動機為主推進器。

還有從3億公里外的小行星上取樣品的隼鳥號,屁股上4臺離子推進器格外醒目。

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除了深空飛行,在地球附近的變軌爬坡,也不乏離子推進器的身影。因為離子推進器靠電運用,所以也叫電推。

2015年SpaceX發射了兩顆全電推進的通訊衛星,安裝了4臺XIPS-25離子推進器,推力165毫牛。

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這倆衛星靠離子推進器從轉移軌道爬到了3.6萬公里高的同步軌道:

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原本這類在地球附近的變軌都是化學火箭的事兒,幾小時就能完成,但要多帶好幾噸燃料。離子推進器則相反,小巧玲瓏成本低,但變軌過程要持續幾個月。

顯然,最近幾年大夥的耐心是越來越好了,商業衛星採用全電推進的比例大幅上升,估計已經超過一半了。

離子推進器本就不高的門檻快被踏爛了:美國L-3公司的XIPS離子系列、Busek公司的BHT霍爾系列、AMPAC-ISP公司的T霍爾系列,日本的μ微波系列,英國T離子系列,德國RIT射頻系列,俄羅斯SPT霍爾系列……

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如果說前面這些業務是從化學火箭手裡搶的,那麼下面這些活,憑的就是自己本事了。

秋毫之末定乾坤

大夥可能沒想到,推力小其實還有優點:精準!

你想想,化學火箭輕輕吹口氣就狂風暴雨,要把握力度就太難了。推力小了,反而可以精準調控,特別適用那些精度要求極高的衛星。

2009年歐洲宇航局發射的GOCE探測器,以前所未有的精確度繪製了地球重力場。由於測量精度要求很高,衛星必須在大約250公里的低軌道飛行,而這個高度有很多空氣分子,微小的空氣阻力會導致衛星高度逐漸下降。

於是,GOCE就裝了離子推進器,用來抵消細微的空氣阻力,這貨持續工作了2年,讓衛星始終保持在一個精準的軌道上,展現了無與倫比的優勢。

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如今,軌道定位、控制姿態完全是離子推進器的天下了。但這點能耐其實不算啥,離子推進器真正的絕活在這兒呢:

還記得地面引力波怎麼探測吧,引力波使相隔4公里的反射鏡產生了0.000000000000000001米的位移。若想位移更顯著一點,就得增加反射鏡間距,地球上這點距離已經無法滿足要求了,於是大家想到了太空。

鐳射干涉空間天線LISA,美帝和歐萌合作的太空引力波探測計劃,打算2030年代完成,用3顆衛星組成邊長250萬公里的三角形,鐳射跑完全程得花25秒。有興趣的盆友,給你個官網:https://lisa.nasa.gov/

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現在問題來了,引力波探測的本質就是測量微小移動,要是衛星自己抖個不停,那就沒法幹了。

所以,衛星必須真真正正“靜止”在太空,成為超靜超穩平臺,學術點說就是“無拖曳控制”技術,通俗點說就是消除衛星受到的各種干擾力。

比如,太陽光照到衛星上產生的光壓,宇宙射線打到衛星上產生的微小推力,空氣分子零零星星逃逸到太空產生的阻力,諸如此類。

不用說了,這種活,非離子發動機莫屬。

2019年底長征四號把中國的“天琴一號”送上了天,離子發動機推力精度達到了0.0000001牛,成功完成無拖曳控制飛行驗證,成為世界上第二個掌握該技術的國家。

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預計2035年用3顆天琴衛星,在10萬公里的高度上,組成臂長17萬公里的等邊三角形,建成中國的太空引力波探測系統。

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從引數上看,天琴比LISA還是有些差距,可誰讓咱們錢多呢?星間距離300萬公里的“太極計劃”已經上日程了……

星辰大海在哪裡

儘管離子發動機目前能幹的活不多,但比化學發動機更值得期待,咱不妨憧憬憧憬。

科幻片看多的小盆友通常有個誤區,以為飛船是一路開著發動機到月球、到火星。其實,無論去月球還是去火星,飛船都是在地球附近加速到某一速度,然後無動力飄過去,和洲際導彈一樣,是被扔過去的。

舉個例子,阿波羅登月,從地球到月球一路飄了3天,而發動機只在一開始工作了短短1010秒,十幾分鍾而已。

這趕路的效率自然就很感人了。以地球和火星為例,最近距離大約5500萬公里,一般都得飄兩三百天。2012年美國好奇號火星探測器,整整飄了254天才降落在火星表面。

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假設好奇號不是飄過去的,而是用發動機一直推過去的,得多少時間呢?如果把地火距離簡化成兩點一線的加速減速過程,舒舒服服按一個G的加速度去火星,只要42小時,相當於一趟綠皮火車。

同理,如果我們能持續以一個G的加速度飛行:到月球只需3.5小時,而阿波羅用了3天;到太陽系最遠的海王星,只需16天,而旅行者2號整整用了12年;追上已經飛了43年、211億公里外的旅行者1號,只需24天。

這是什麼概念呢?太陽系就相當於大航海時代的太平洋,人類終於能摸到太陽系的邊緣了。

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這一天遙遠嗎?

國內外進展

咱們先把目標明確一下:以天宮一號空間站為例,可供3人長期生活,重約8噸,要產生1G的加速度,合計推力8萬牛,再怎麼掐頭去尾,單臺推力也要到萬牛級別。

中國在1974年首次開展汞離子推進器的研究,時間不算晚;開發的LIPS-80離子發動機,獲得1978年國家科技進步一等獎,成就不算小。然後,直接停滯了20年……

其實在80年代,考慮到經濟條件和韜晦策略,下馬了大量的高科技專案,運輸機、轟炸機、航母、反導、超級計算機、光刻機……大大小小上百項。

這裡多說幾句,很多人對韜光養晦的理解是,嘴上說一套,偷偷幹一套。這實在是小瞧了美帝情報機構,不自斷臂膀,多幹一些襯衣皮鞋的粗活,美帝是不會放心去中東撈石油、懟毛子的。

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1999年,重啟離子電推進研究。2004年,我國第一臺200毫米氙離子推進器樣機問世,補上了落下20年的課。

“實踐號”是科學試驗衛星,很多航天技術都在這個平臺上驗證。

2012年“實踐九號”A/B雙星,首次使用離子推進器,推力40毫牛,噴口速度30km/s,算是趕上了國際水平。

2019年12月升空的“實踐二十號”搭載了十多項國際領先技術,其中300毫米的LIPS-300離子推進器,噴口速度達到了40km/s,推力200毫牛,首次實現了高低功率雙模式,成功踏入第一梯隊。

更大一號的400毫米LIPS-400已經完成原理樣機的試驗,推力336毫牛,開關次數、累積壽命、功率調節、效率等各項效能都棒棒的。

前面耽誤了20年,後面惡補了20年,終於可以跟美帝掰掰腕子了。

打破太陽系枷鎖:霍爾推進器

離子推進器高歌猛進,霍爾推進器也沒閒著。

從幾年前的HET-40,一路到最近的20千瓦霍爾推進器,推力從幾十毫牛漲到了1牛,效率也達到了70%,可喜可賀。

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這裡稍微嘲諷一下那些把我國首款牛級霍爾推力器吹噓成天下無敵的媒體,因為業界標杆還是美帝。

2017年NASA測試了X3霍爾推進器,功率達到了100千瓦,推力達到創紀錄的5.4牛。這貨有三個相互巢狀的同心環通道,能噴出的離子更多,推力自然也就更大了。

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值得注意的是,我國用20千瓦產生1牛的推力,美帝X3用100千瓦產生5.4牛的推力,兩者效率不相上下。除了推力不如美帝,其他效能相差無幾。

提個醒,100千瓦相當於轎車的發動機功率,在這兒卻只能提個蘋果……但好歹用“牛”做單位了,還是值得欣慰的。

對了,咱們剛剛說目標是多少來著?一萬牛?這真是個傷心的話題……

任重道遠

離子發動機的推力不但取決於離子噴射速度,也取決於離子密度。霍爾推進器雖然有了長足進步,但噴出的離子還是少得可憐,所以推力上不去,限制了應用。

為了增加推力,科學家想到了一個絕妙主意:可變比衝磁等離子體發動機VASIMR。

核心區別在於,離子被電場加速前,先用微波加熱到100萬度。溫度的微觀本質就是粒子速度,這團高溫等離子體就是一堆高速亂飛的離子,只要用電磁場將亂飛的離子引導到一個方向上,就可以極大的增加噴射速度。

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可變比衝磁等離子體發動機有諸多優點:第一,離子密度高;第二,噴口速度可達300km/s;第三,水二氧化碳啥都可以當推進劑;等等。就是塊頭有點大:

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不過VASIMR的塊頭不是白長的,功率100千瓦算得上霍爾推進器的最高記錄,但在VASIMR這兒只能算個起步,美帝的VX-200輕輕鬆鬆玩到了200千瓦。

儘管VASIMR的能量利用率和霍爾推進器差不多,都是每千瓦產生約0.05牛推力,但大塊頭高耗電是很難在天上混的。

目前,可變比衝磁等離子體發動機,貌似只有美帝在前面趟路,到時候咱們估計還是發揚光榮傳統:摸著美帝過河。

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最後還有一道被忽略的算術題。

衛星依靠太陽能發電,100千瓦的功率需要300平米的太陽能面板。按這個比例,8萬牛需要150萬千瓦,摺合太陽能面板4.5億平米!先不說成本,光增加的重量也得拖垮推進器。

伺候這種耗電大戶,太陽能靠不住,怕是隻有核聚變了。說到可控核聚變,這又是一個傷心的話題……

聚變直噴

既然這事已經扯到了核聚變,就沒理由不說一說“聚變直噴發動機”,一種停留在傳說中的火箭發動機。

總結來說,離子發動機本質上是用電磁場加速離子,目前理論極限是VASIMR的300km/s,離速度極限30萬km/s還有不少上升空間。

但是,先聚變發電,再用電力驅動離子,能量利用率並不高。就好像用汽油發電,再用電動機驅動汽車,莫不如直接用汽油發動機。

於是,有人提出了一種驚為天人的發動機思路:直接將聚變反應後的高溫等離子體引出來做推進劑,噴口速度可以達到20000km/s,光速的十五分之一。在這種噴射速度下,只要每秒噴出4克燃料,推力就達到了8萬牛。

打破太陽系枷鎖:霍爾推進器

儘管聚變直噴發動機在技術上還是沒影的事情,但好歹理論已經趟到這了,就算物理學一直沒突破,再過幾百年也還是有盼頭的。

若真有一天,人類實現了以1G加速度持續星際飛行的目標,離太陽系最近的半人馬座三星只有4.22光年,想想還有點期待呢!

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