星際旅行的發(fā)動機離子發(fā)動機

1、星際旅行的發(fā)動機離子發(fā)動機看過星球大戰(zhàn)的朋友都會對帝國的領結式戰(zhàn)斗機有印象，而領結式(TIE)這個名字就來自雙離子引擎的縮寫(Twin Ion Engine)，離子發(fā)動機在科幻作品中相當常見，經(jīng)常被用作小型飛船的引擎。但和我們要介紹的其它種類發(fā)動機不同的是，離子發(fā)動機是一種現(xiàn)實的發(fā)動機，在今天，除了傳統(tǒng)的化學火箭發(fā)動機外，就屬離子發(fā)動機在宇航中的應用最廣。星球大戰(zhàn)帝國領結式戰(zhàn)斗機離子發(fā)動機的能量來自電力，可以來自太陽能電池板，或者核電池，通過從發(fā)動機尾部噴射出陽離子來推動飛船前進，所以離子發(fā)動機的驅動方式也被叫做電力驅動方式。目前的離子發(fā)動機的最大缺點是推重比太小，其推力只相當于一張紙對于你的

2、手的壓力，顯然這樣的發(fā)動機無法讓飛船和探測器脫離地球的重力場，也無法攜帶大的負載。但這個缺點卻被這種發(fā)動機在太空中的表現(xiàn)彌補了，由于它優(yōu)越的比沖量，它最終能把傳統(tǒng)的化學火箭遠遠拋在身后。換句話說，就是盡管傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機有更高的推重比，但是卻以很低的比沖量把燃料在很短的時間內消耗光；而現(xiàn)在的離子發(fā)動機能持續(xù)運轉好多個月甚至數(shù)年，這樣，盡管推力小，但能通過長時間的積累達到更高的總沖量(impulse，等于力的平均值與它的作用時間相乘的結果)，并最終達到更高的速度。提到離子發(fā)動機，就不能不提美國的深空1號探測器。雖然離子發(fā)動機過去在衛(wèi)星上經(jīng)常使用，但都是作為輔助發(fā)動機，用于姿態(tài)調整或者軌道維持；而

3、深空1號第一次將離子發(fā)動機作為主發(fā)動機使用。深空1號的離子發(fā)動機也是迄今為止將電能向推力轉化效率最高的，在太空中運行壽命最長的，也是比沖量最高的，比沖量超過3,000秒。深空一號 這種離子發(fā)動機追根溯源可以推到上個世紀的60年代，但到現(xiàn)在仍可以滿足美國宇航局的兩個目標，也就是大大減少旅程時間和初重，以低成本更快地完成行星際任務。而1998年10月24日發(fā)射的深空1號探測器的任務除了測試12項先進科技(其中包括作為主發(fā)動機的離子發(fā)動機)，就是為了完成探測小行星Braille和遙遠的彗星Borrelly這樣的行星際任務。在圓滿完成任務后，深空1號于2001年12月18日報廢。深空一號的離子發(fā)動機結

4、構 上圖就是深空1號的離子發(fā)動機結構圖。離子發(fā)動機工作的核心就是對噴出的氣體進行離子化，這一般是以電子轟擊的方式來實現(xiàn)。通過加熱和電場加速的方式將電子從陰極向陽極發(fā)射并進入放電室，氣體推進劑氙同樣被注入放電室，并在放電室施加磁場，增加氙原子和電子碰撞的可能性。碰撞后，氙原子核周圍的部分電子將被擊開，使得氙原子被電離，帶上正電。這種離子非?；钴S并且移動得非常快。位于放電室后邊的高壓柵極將最后產(chǎn)生推力，方式是制造靜電場，對離子生成拉力讓它們向柵極方向加速，當它們通過后，速度將達到每秒31.5公里，并被集中成一個離子束最終從飛船尾部噴出去，下圖就是深空1號尾部噴射出的藍色離子火焰。需要注意的是，在最

5、后階段一個中和器收集多余的電子并把它們注入噴出的離子束，這樣可以避免飛船被帶上大量的負電荷。深空一號噴出的藍色離子火焰深空1號探測器是美國宇航局新千年項目的第一艘飛船，它的離子發(fā)動機產(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量是3,300秒，每天消耗100克氙推進劑，在發(fā)動機全速運轉的情況下，每過一天時速就增加25-32公里。深空1號由德耳塔火箭送上太空，然后由離子發(fā)動機推動。最初發(fā)動機只開動了4小時就突然停機，但后來恢復了運轉并從此一直順利運行，其最終的工作時間超過14,000小時，超過了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動機工作時間的總和。而最初發(fā)射深空1號時，只計劃運轉200個小時以證明這種離子發(fā)動機是可行的。美國宇

6、航局在地球上實驗室中，和深空1號發(fā)動機一樣的離子發(fā)動機甚至持續(xù)工作了更長的時間。ION離子發(fā)動機的火焰，藍色深空1號離子發(fā)動機的工作方式只是許多方式中的一種而已，這種方式被稱為Ion Engine，作為離子發(fā)動機的代表，但使用電來產(chǎn)生離子漿并進一步推動飛船的具體方式還有好多：霍爾推進器的火焰，綠色霍爾推進器(Hall Thruster)：利用軸向電場(axial electric field)來加速離子。一個輻射磁場和軸向電場相互作用來產(chǎn)生方位角霍爾電流(azimuthal Hall current)，這個電流部分限制電子，讓放電室中電離化效率比較高。這是個在蘇聯(lián)發(fā)展成熟的技術，一般用于衛(wèi)星姿

7、態(tài)穩(wěn)定。MPD、PPT、VASIMR離子發(fā)動機的火焰，粉色脈沖離子漿推進器(Pulsed plasma thrusters，PPT) ：這種方式利用電流弧光，在固體推進劑(幾乎總是用特氟隆)中產(chǎn)生快速而可靠的脈沖燃燒。PPT用于姿態(tài)控制效果很好，不過它是利用電來推進的系統(tǒng)中效率最低者之一，推進效率不到10%。磁致離子漿動力推進器(Magnetoplasmadynamic thruster，MPD)：也被稱為洛倫茲力加速器(Lorentz-force Accelerator，LFA)，它使用洛倫茲力(磁場和電場共同對帶電粒子施加的力)來推動離子。MPD技術已經(jīng)在實驗室中被開發(fā)出來，但對它的商業(yè)興

8、趣很低，盡管在理論上它能產(chǎn)生極高的比沖量，因為它和Ion、Hall以及PPT方式不同，不使用電級，使用電級對離子進行加速的方式會使噴出的加速流被位于出口的電子源中性化，從而減低效率。MPD可以穩(wěn)定運行，也可以脈沖運行?？勺儽葲_磁致離子漿火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket，VASIMR)：北京青年報2000年的一篇文章打造星際飛船新引擎把這個方式大大吹噓了一番，認為是未來的方向。其實這種系統(tǒng)只是介于高推力低比沖的傳統(tǒng)發(fā)動機和低推力高比沖的離子發(fā)動機之間的類型，可以在這兩者之間調整參數(shù)。它也不用電極，而是在發(fā)動機前室使用電波來對氫推進

9、劑進行離子化，然后在中室用磁場讓其按自然頻率繞磁場旋轉，并使用無線電按照同一頻率轟擊，讓溫度上升到1千萬K，再從后室把旋轉變成軸向運動并釋放出去。最后，在離子化方面，日本設想用微波的方式來進行，用微波來擊活推進劑氣體的電子，之后就是和深空1號一樣把離子聚集成束并以靜電場加速噴射出去。美國宇航局也采用了日本人的辦法測試了新的微波離子發(fā)動機，并得出結論認為這種方式可以讓發(fā)動機工作得更久。上述各離子發(fā)動機的共同特點都是使用電能，利用電來直接電離，或者用電來制造磁場、電波、微波等，然后用它們來對推進劑進行離子化。所以它們也被稱為電動推進發(fā)動機。離子發(fā)動機超長時間的持續(xù)工作固然是優(yōu)點，可以逐漸積累到很高

10、的速度，但這同樣是缺點，因為這要求超長時間的持續(xù)電力供應。這要求攜帶一個電力供應裝置，目前的方式是使用一個巨大的太陽能電池板，不僅加重重量，而且隨著探測器遠離太陽，其效率也不斷下降?？梢哉f，目前限制離子發(fā)動機發(fā)展的瓶頸因素就是電力，由于目前的太陽能電力系統(tǒng)缺乏效率，離子發(fā)動機的設計也就只能在低電能的基礎上進行。如果我們想往外圍的深空繼續(xù)進發(fā)，或者運送更大的載重，就必須解決這個問題，獲得更大的電能，至少應該達到以兆瓦計算的規(guī)模，而目前的深空1號最多僅僅能產(chǎn)生2.5千瓦，其中能提供給離子發(fā)動機的是2.1千瓦。對太陽能電力系統(tǒng)進行改進以增加太陽能的利用效率，目前唯一可預期的方式是使用納米技術，但并不

11、知道需要多久才能發(fā)展出有用的技術。所以對于近期來說，唯一的選擇就是使用核電系統(tǒng)，目前的技術也能讓船載核電系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)百千瓦的電能，而且在不遠的將來能發(fā)展到兆瓦的級別。在核電系統(tǒng)中，來自原子反應堆的熱量可以通過熱電轉化方式或者熱離子轉化方式變成電能，這種辦法在上世紀60年代就被看作是可以讓人類開拓太陽系的技術，而這個方式也有可能提供一個低成本的系統(tǒng)用于太空商業(yè)化。離子發(fā)動機的核電系統(tǒng)核電系統(tǒng)比太陽能電力系統(tǒng)產(chǎn)生更高的電力，從而可以讓離子發(fā)動機獲得更高的推力，更高的比沖量。雖然推力仍舊比不上傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機那么高，但比沖量方面的優(yōu)勢則很明顯，傳統(tǒng)的化學燃料火箭發(fā)動機的比沖量是大約400秒上下，深空1

12、號通過太陽能電力系統(tǒng)獲得的比沖量在3,300秒左右，而利用核電系統(tǒng)的離子發(fā)動機可以達到13,000秒。由于電力充足，核電系統(tǒng)可以讓發(fā)動機和儀器分享和調配電力。當儀器不需要電力的時候，可以把全部的電力都送給發(fā)動機，但需要讀取、檢測、發(fā)送信息時，可以關掉發(fā)動機，把電力都調給儀器。這就提供了節(jié)約大量重量的可能性。而最大的好處自然是核電系統(tǒng)即使遠離太陽也不影響工作效率，從而能在深空工作。今年9月又有消息，對于核能的熱電轉換率又找到更好的辦法可以進一步提高。美國加州大學在洛斯阿拉莫斯實驗室(Los Alamos)工作的科學家利用一種稱為傳送波發(fā)動機(traveling-wave engine)的概念，可

13、以將熱量轉換成電能的效率從過去的7%提高到18%。這意味著同樣的核反應堆提供的電力能夠增大一倍半。目前的核發(fā)電機是使用熱電轉換方式(thermoelectric)而新辦法使用熱聲轉換方式(thermoacoustic)，具體做法是將氦氣送過一疊322個不銹鋼金屬絲網(wǎng)制成的碟子，它們被叫做交流換熱器，交流換熱器同熱源連接。而吸熱設備則讓氦氣膨脹和收縮，這樣的膨脹和收縮能產(chǎn)生強大的聲波，這就如同大氣層中閃電會導致熱膨脹從而產(chǎn)生雷聲一樣。震蕩的聲波在發(fā)電機中就驅動活塞，產(chǎn)生電流。如前所述，用這樣的熱聲電方式產(chǎn)生的電流比熱電方式效率更高。在核電系統(tǒng)方面，我們需要取得的進展不僅是需要高效率，以獲得兆瓦級別的電力，還需要制造出質量輕的電力系統(tǒng)。而最主要的缺點是需要對核輻射進行保護，以確保船上的成員和載貨不受輻射以及來自反應堆的高熱的影響，這將會增加船體重量。羅塞塔彗星探測