科普 | 氙气推动火箭

图注：在氙推进剂上运行时，引擎羽流呈现一种亮蓝色

你知道吗？尽管离子推进器是未来航天器的一种很有前途的推进方法，其工作寿命却受其所能携带的推进剂数量所限。 

不过现在，欧洲宇航局（ESA）的科学家们已经试验了一种新型的“吸气式电推进器”。

它能够在稀薄的空气中运行，有望让卫星在天空中更长久的运行、以及减少阻力。 其基于霍尔推进器而设计，即利用电场和磁场来电离气体（通常为氙气），然后将这些粒子喷射出来，以产生推力。

与传统火箭相比，这种推进方式在清洁、安全、燃油效率上都要更高，缺点就是产生的推力和加速度并没有那么强大。当然，它更擅长的是长期、缓慢的点火推进应用。

在航天器飞往遥远目的地的时候，续航耗费大量的时间。如果采用电推方案，它就可以在几个月、甚至数年的时间里持续加速。早前，NASA 刚刚测试了有史以来最强大的离子推进器之一。

图注：在真空室中等待测试的全新吸气式推进器原型

打破了多项记录的 NASA X3 离子推进器，有朝一日可能带着人类去火星。不过这项技术也适用于近地空间，毕竟一旦进入轨道，卫星就不需要太疯狂的推力，而是保持长期的稳定。

ESA 的重力场和稳态卫星（ GOCE ）即基于一台电推进器（有四年历史），不过 2013 年末的时候，它在机载推进剂耗尽之前，于重新进入大气层时被烧毁。

图注：吸气式电推进器工作原理图解

在新设计中，团队主要想搞定一个问题 —— 不是携带有限的燃料，而是从周边稀薄的空气中汲取来源。吸入之后，空气分子会被压缩、热化、电离（赋予一个电荷），然后被加速喷射出来（以提供推力）。

图注：用于本次测试的一套完整系统

ESA 研究员 Louis Walpot 表示：“项目从一种在海拔 200 公里（124 英里）的地球上层大气中汲取空气分子作为推进剂的新颖设计着手，其典型速度为 7.8 公里/秒（4.8 英里/秒）”。

图注：搭载电推进器的新式卫星的概念想象图

这种类型的吸入式电推进器有望让卫星在轨道上工作更长的时间，但这并不是它的唯一优势。GOCE 携带了 40 公斤（88 磅）的氙推进剂，鉴于重量对航天器的影响很大，所以放弃这点会很有价值。

老式卫星配备了一种复杂的降低空气阻力的系统，但新式的推进器完全不需要这种。经过广泛的模拟计算，研究小组在真空室中建造了一个模型，并且模拟了海拔 200 公里（124 英里）的环境。

图注：在真空测试中被点燃的电推进器

首次“点火”测试采用了可靠的氙推进剂，输入的空气分子被一个粒子流发生器冲撞到该装置上，以确保推进器能够重复点火。达成之后，团队又换了一种氮氧空气混合物。

图注：淡紫色表明该引擎运行于空气分子环境下

Walpot 表示：“当看到引擎羽流的颜色从蓝色变成淡紫色时，我们就知道已经取得了成功。最后，为了验证这个概念的可行性，系统仅采用了大气推进剂来反复点火”。

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