上个月中旬,有报道称我国首款20KW大功率霍尔推进器(推力器)研发成功,实现了推力从毫牛级向牛级的跨越。 我国20千瓦大功率霍尔推力器点火 部分霍尔推力器产品 这是一件令人高兴的事,但是有些媒体却把这项还在追赶的技术吹成了天下无敌,特别是某些跨界瞎写的大V号,其造成的影响非常恶劣。 实际上霍尔推力器是等离子体推力器的一种,也是我们常常听到的所谓“电推”,其原理是先将气态工质电离,并在强电场作用下将离子加速喷出,通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务。离子推力器的特点是推力小、比冲高,广泛应用于空间推进,如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。 非常具有科幻感的离子推力器 离子推力器和化学推进器对比各有优缺点。化学推进器的推力大,但有效载荷小,效率低,造价高,随着卫星寿命的增加,维持轨道所需的推进剂越来越多,从而挤占卫星的有效荷重量。而电推所需的工质少得多(也可以说寿命长得多),效率高,经过长时间的加速之后,可以达到极高的速度。这就和龟兔赛跑一样,电推的推力虽极小,但是经过常年累月的加速,在深空和星际之间可以达到非常高的速度。 为什么我国的卫星寿命以前只有5、6年,而美欧俄日的则可以达到十几年,主要原因就是我们的卫星需要化学推进剂来维持轨道,而他们用“电推”。 离子推力器基本可分为三类:电热式、电磁式、静电式。相应的推力器有:
离子推力器和霍尔推力器的主要区别是: 在离子推力器的加速栅极区域中,只有离子被加速,尾部喷出离子流产生推力。 而霍尔推力器应用霍尔效应,不需要栅极,它在阴阳放电电极之间,电子、离子都能被加速,电子产生霍尔电流,电子霍尔电流和电磁铁之间存在安培力。霍尔推进器中等离子体受力=电子电场力+电子安培力+离子电场力,因而霍尔推力器的推力更大。 早在1960年代,美国和苏联都意识到了霍尔推力器的潜力,两国分别对此展开了研究。但是不久美国中止了研究,因为他们发现霍尔推力器等离子体中不能抑制的不稳定性,实验得到的推进效率低,从而转向离子发动机的研究,并取得了成功。 而苏联却坚持研究霍尔推力器,主要原因则是苏联没有精细栅格的制造能力,而栅格在高加速电压下寿命影响很大,从而一定程度上决定了发动机的寿命。苏联发现等离子体的稳定性不影响推进性能,在1971年成功的进行了深空测试试验,1994年,俄罗斯第一次将其实用化。 霍尔推力器的结构图 霍尔推力器的工作原理图 1997年,离子电推系统在商业卫星上正式使用,1999年首次作为航天器的主推动系统,现在使用电推系统的航天器已超过200颗。 2003年5月,日本发射隼鸟小行星探测器,采用4台(1台备用)10cm微波电子回旋谐振放电离子发动机作为主推进,2005年9月到达丝川行星环绕轨道 ,仅消耗了22Kg氙推进剂(共携带65Kg),11月成功降落星体并完成采样。12月1日离开,但是由于化学推力器失效,只能依靠电推返回地球,虽然比预定时间晚了3年回到地球,却显示出了离子推进器的优异性能。 而我国则在上世纪70年代中期就开始了电推的研制:
这一时期则因苏联解体,科技情报外泄,1991年起西方重新开始了霍尔推进器的研究。2001年,美国NASA-457M霍尔推力器功率50KW,推力接近3N。而美国最大推力的X3霍尔推力器的功率更是达到了102kw,推力5.4N. X3 霍尔推力器 与美国雄厚的积累不同,我国在霍尔推力器研究上的底子薄,资金少,任务重,目前取得了牛(N)级推力器的成功,虽然是可喜可贺的事,但是与美俄欧日相比还有不小的差距,希望自媒体们能正确认识我们的位置,不要为了流量而误导了读者。 |
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