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来源：航天星世纪 大家应该或多或少接触过科幻电影，那些飞船尾部都带有蓝色的光焰——羽流。蓝色，一种科幻的颜色。今天，我们介绍一下这个存在于现实中的航天飞船动力，它就拥有科幻的蓝色光焰羽流！ 大家都或多或少在电视上见到过火箭发射时的场景，尤其是刚点火升空的那一瞬间，爆炸式的燃烧喷出长长的尾焰，巨大的反作用力使得火箭加速离开地面，飞向太空，这是航天器从地面到太空的一个过程。火箭载荷（一般包括人造卫星、探测器、飞船等，下称航天器）送到一定轨道高度后，需要航天器自身的动力完成轨道转移、姿态调整和位置保持。 传统的航天器动力为化学式推力器或者冷气推力器。化学式推力器（分为固体燃料和液体燃料，一般采用液体）本质上与火箭发动机没有太大的区别，都是通过燃烧自身携带的推进剂产生推力，使航天获得加速度达到变轨等目的。冷气推力器一般设计一个合适的管道如拉法尔管（可以用来加速冷气获得更大的推力）然后将气体喷出产生推力。冷气推力器和化学式推力器两种推力器都有一个共同的缺点——比冲低（前者很多甚至不到100s，后者可以达到250~450秒），关于比冲的概念在《齐奥尔科夫斯基（二）让火箭飞起来》中提到过，简言之就是对于一定质量流量的喷出物，其被喷出的速度越快，比冲越大。比冲低造成的后果就是航天器为了达到某一目的（如轨道转移），需要携带更多的燃料。目前的发射成本大于1万美元/kg，以2~4吨的通信卫星为例，其一半以上为推进剂和推进系统的质量，这不仅导致卫星的成本异常之高，同时还严重了影响有效载荷。 那么，如何提高推力器的比冲呢？答案是电推进系统（Electric Propulsion System），核心是其中的电推力器（Electric Thruster）。 电推力器，顾名思义是将电能转化为动能的过程，电能相对于化学能而言，在太空中是可以采用太阳能的。当然，电推力器无法将电能直接转化为动能，因为电推力器主要是电离工质产生离子，然后加速离子喷出产生推力的。根据产生离子和加速离子方式的不同，大致分为电热式、静电式和电磁式三种推力器。 图1.电推力器分类及比较 从红色框中可以看出，电推力器的比冲明显比要高于传统推力器。实际应用时并不能仅仅通过以上数字进行选择，就如同大家选手机，并不能简简单单的看配置一样，更何况这比选手机强多了。不同的推力器，需要根据任务（速度变化量）、自身能够提供的功率、推力大小等决定。目前大量应用于航天的推力器为电磁式推力器中的霍尔推力器和静电式的离子推力器。 图2.多环霍尔推力器（大功率）| 网络图 图3.磁聚焦型霍尔推力器 | 网络图 图4.离子推力器原理图 图5.离子推力器点火（羽流颜色与工质有关） 前者以前苏联为主要研究对象， 明星产品为spt系列以及改进产品aton系列，后者是美国主推的推力器。 苏联解体后，霍尔推力器由于其优异的性能，技术传入了世界各大航天强国。一叶所在的研究所与已逝的霍尔推力器的发明人莫罗佐夫教授有过深度合作，去年荣获高校十大科技进展奖的磁聚焦型霍尔推力器的理念就是莫罗佐夫提出来的。其他已经应用于航天的推力器还包括电热式推力器，有日本的隼鸟号以及Lockheed Martin 公司 A2100TM卫星平台采用 Primex 宇航公司的 MR510 2KW 肼电弧加热推力器。 图6.电弧推力器 图7. 电推力器应用范围分类（高清自制图） 上图是各种推力器的应用范围，可以根据不同的功率、比冲要求选取推力器。目前航天器提供的电功率非常有限，即使是向通信卫星这类大型卫星，能够为推力器提供的功率大概在1-10kW量级。为了提升有效载荷，在满足功率的情况下将会尽可能选用比冲高的推力器。由图可以知道，在1-10kW可以选取霍尔推力器和离子推力器，这两种推力器比冲都超过了1000S，一般霍尔推力器比冲能够达到2000-3000s，离子推力器最高比冲能够达到约4000s，这也是霍尔推力器和离子推力器成为主流电推力器的主要原因。二者各有特色，霍尔推力器相对于离子推力器而言存在结构简单，易于集成，功率密度高、容易大型化等优点，特别是大型化，离子推力器是难以企及的。 以霍尔推力器和离子推力器为主要讨论对象，化学推进大致比较一下实际任务有效载荷质量与发射质量之比。 图8.有效载荷比较（高清自制图） 上图即为比较结果，由图可以发现二者之间存在巨大的差别。尤其是最后的星际探测，存在近10倍的差距。 当然，电推力器也有其局限性。首先是电推力器的推力特别小，500W-10kW的霍尔推力器，推力在10mN~3N，什么概念呢，一张A4纸质量约等于4g，也就是40mN的重量（注意是重量不是质量哦）。我们之前有提到嫦娥探测器的主推力器为750N，因此电推力器给航天器的加速度是非常小的，如果任务紧急且是地球卫星，是不能采用电推进的。那么这么小的推力为什么还用呢？首先，目前电推力器应用于位置保持和姿态调整，一年的速度增量在50m/s以内，电推力器由于其精确的推力以及可以持续工作的特点，可以节省大量成本的同时提高控制精度。但是，以后的趋势将会是全电推进平台卫星，毕竟不是所有的任务都是非常紧急的。 为什么我会强调地球卫星呢？因为进入深空探测后，由于电推力器的比冲很高，携带同等质量的推进剂，电推力器给航天器的速度增量远远超过化学推进。如果有两个航天器同时从某一轨道进入太阳系深处，将会出现如下太空版的龟兔赛跑。当然，这个比喻不是特别合理，毕竟电推力器主导的航天器最终速度是远大于化学推进主导的航天器的。 电推力器除了推力小的缺点外，还存在其他一些严重的问题需要解决。其中包括带电粒子返流沉积在航天器表面尤其是太阳能帆板上，导致航天器表面带电。其二是由于电推力器中等离子体存在振荡，电子振荡的频率与通信频率接近会严重干燥通信。 做一个小结吧： 1、 电推力器分为三种形式：电热式（如电阻加热）、静电式（离子推力器）、电磁式（霍尔推力器）； 2、 电推力器的比冲高，霍尔推力器和离子推力器能够达到2000~4000s的比冲，是化学推进的10倍以上； 3、 推力特别小，但是可以持续工作，且提供高精度的推力，目前主要用于轨道保持、姿态调整，未来将会向全电推进卫星平台发展。由于其高比冲、寿命长等特点，未来的星际探测将会大面积采用电推力器； 4、 容易返流造成航天器表面带电； 5、 由于等离子体振荡会影响航天器的通信。 稿件来源：“航天星世纪” |
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