霍尔推进器:人类太空探索的未来动力.docx
《霍尔推进器:人类太空探索的未来动力.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《霍尔推进器:人类太空探索的未来动力.docx(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 霍尔推进器人类太空探索的未来动力 鹿鸣2017年5月7日,执行第4次任务的美国X-37B空天飞行器在完成718天的在轨飞行后,返回肯尼迪航天中心。作为美国空军的轨道试验飞行器,X-37B的多次任务均未公布细节。这几次飞行,带来什么载荷上去,又进行了哪些试验,往往不为人知。而这次X-37B的飞行任务,从美国军方无意间透露的信息来看,可以确认上面搭载了霍尔推进器。那么,霍尔推进器是怎样的一种设备?作为电推进系统中的一员,霍尔推进器与传统的化学火箭推进器之间又有什么区别呢?未来人类将会用霍尔推进器执行怎样的任务呢?霍尔推进器1879年,美国物理学家霍尔于在实验中发现,当电流垂直于外磁场通过导体时,
2、在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电压。这个电压叫做霍尔电压。这现象便是霍尔效应。然而,虽然美国人发现了霍尔效应,但是世界上第一台霍尔推进器却是苏联科学家研制成功的。1962年,苏联科学家莫罗佐夫提出了静态等离子推进器(Stationary Plasma Thruster,简称SPT)的概念。推进剂气体一部分通过阳极进入环形放电室,部分进入空心阴极。在推进器内部,有一对互相垂直的电场和磁场(电场沿轴向方向,磁场沿径向方向)。空心阴极是一个维持稳定放电的电子源。其产生的电子在径向磁场的洛伦兹力的作用下,形成了一个做圆周运动的电子束。这个电子束便是霍尔电流的来源。霍尔电流在磁场中产生霍
3、尔效应。在轴向电场的相互作用下,欢腾的电子与推进剂激烈碰撞并使推进剂电离。在电磁场的作用下,推进器内部的離子产生轴向加速度,并最终高速喷出,形成推力。近几十年来,人类科学家和工程师不断努力,也就终于使得霍尔推进器得到了工程应用。当离子推进器的工质采用氙后,就成了氙离子推进器(XIPS),该推进器与稳态等离子推进器(SPT)(属于霍尔推进器的一种)一起,成为目前和可预见的将来使用得最为广泛的电推进系统。2006年发射的TacSat-2卫星、2010年发射的美国军用通讯卫星USA-214和美国军用小卫星USA-221、2012年发射的美国国家侦察局用卫星USA-235等卫星都使用了霍尔推进器。20
4、01年至2006年期间发射的以休斯公司的“HS-601HP”平台为基础的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亚洲4号、Galaxy 13、MEASAT 3等卫星和深空1号探测器、黎明号探测器以及2015年3月初发射的波音702SP(世界上首款全电推进卫星)则采用了氙离子推进器。不过,目前霍尔推进器的进一步军用化和普及化则尚需时日。这也就是近日刚刚返回地面的X-37B空天飞行器升空的一个重要原因,即全面测试新型的霍尔推进器。有人说电推进技术将会立刻替代化学推进技术成为卫星和深空探测器的主要动力。但是也有人认为电推进技术尚处在萌芽阶段,尤其是推力太小,尚不能马上全面替代化学推进
5、技术。的确,无论是霍尔推进器还是氙离子推进器,它们的推力都实在是太小了。以深空1号为例,她上面搭载的离子推进器功率为2.3千瓦,其峰值推力约为92毫牛。无论是发动机功率还是推力,深空1号的离子推进器都已经算是同类推进器中较大的了。一张80g的A4纸的质量约为4.99克。这张纸在咱们地球上所受的重力约为48.9毫牛。也就是说,深空1号深空探测器的离子推进器火力全开的时候,其推力也不足以托起两张A4纸。但是,就是这样纤弱的力量,却能够在近地轨道卫星和远程星际探索中使离子推进器和霍尔推进器胜过了火力威猛的化学推进器。我们不再去比较化学推进器和电推进器在比冲方面的差别,这样的比较会出现在大量的文献中,
6、而结论也无非是:双组元化学推进系统的比冲一般在300秒左右,而波音702SP全电卫星上的XIPS-25电推进系统的比冲已经达到了3 800秒以上,因此电推进系统比化学推进系统优越很多。这样的评价显得有些抽象。在这里,我们比较的是二者的喷气速度。并祭出先驱齐奥尔科夫斯基(摇篮叔)的大杀器:齐式火箭方程来给化学推进和电推进二者做个了断。“天下武功,唯快不破”,李小龙的这句名言道出了火箭推进系统的真谛。从摇篮叔的火箭方程中,我们可以看到,影响火箭最终速度(或者说速度增量)的因素有两个:一个是发动机的喷气速度,另一个是火箭发射质量与扣除燃料后的干质量的比值。如果一个火箭拥有很快的喷气速度,那么就会给火
7、箭带来很大的优势。优势一:在同样的速度增量的要求下,较大的喷气速度意味着较小的发射质量与干质量的比值。对于带有同样载荷的卫星来说,其发射质量会大幅减小。按照目前的价格来算,仅发射费用就可以省下将近6 000万美元。另外,2吨级的卫星质量使得能够发射波音702SP卫星的火箭种类变得更多,使该星有更好的议价能力,还能让很多卫星以“一箭双星”的形式来发射。对于要在轨道上长期服役的卫星来说,电推进的优势就更明显了。一颗重4.8吨的以化学火箭来维持轨道高度的寿命达1 5年的卫星,其燃料储箱中带的燃料重达3吨。有效载荷的质量差不多只有燃料质量的一半。如果将这颗卫星升级为电推进卫星的话,只需不到200千克的
8、氙就能完成同样的使命。不过,电推进系统的推进器的推力太小了,这让卫星的入轨过程变得相当漫长。这就对卫星的寿命和抗辐射能力提出了不小的挑战。弄不好,卫星可能最终赢得了轨道却输给了岁月。优势二:电推进系统即使在目前这个萌芽状态下,也已经能够赋予深空探测器以极快的速度,并且这样的速度是化学推进器难以企及的。这个优势用文字描述的话,终会显得枯燥。不妨让化学推进和电推进各选出一个代表来进行一场星际赛跑。毕竟一切不用数据来说明问题的讨论都是不太好的嘛。一场星际赛跑我们不妨用发射质量达到了轻巡洋舰级别的土星5号火箭上面的F1液氧煤油发动机与总重不到500千克的深空1号来一场星际赛跑。 一台F1液氧煤油发动机
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 霍尔 推进器 人类 太空 探索 未来 动力
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【人****来】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【人****来】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。