杂说离子引擎

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顾名思义,离子引擎就是使用电离气体作为推进剂的航天器推进设备,与太阳帆一道,都属于电推进家族。它也是目前性能最好、最成熟的电推进系统。最早的离子引擎于1960年左右由NASA的Glenn研究中心制成,但之后一直处于试验阶段,直到1998年,探测彗星的深空1号计划才首次将离子引擎作为主力推进系统应用在深空飞行中。</>杂说离子引擎安装有离子引擎的彗星探测器深空1号。(图片提供:NASA) 历史沿革早在1906年,现代火箭之父罗伯特·戈达德即已考虑过不通过高温而将带电粒子加速的可能性。这可以被认为是有关离子推进的早期理论工作。1930年代,大名鼎鼎的火箭专家维纳·冯·布劳恩在其导师Hermann Oberth的指导下讨论了电推进的可能性,而后者曾在他的一本书中花费了整整一个章节研究电推进问题。二战后,当冯·布劳恩继续研究V-2火箭时,他同时也在考虑星际飞行的可能性。他让同事Ernst Stuhlinger回顾Oberth当年的工作,这却使Stuhlinger为电推进的概念所深深吸引而不能自拔,终成一代电推进技术的权威。在1955年国际宇航大会上发表的一篇文章中,Stuhlinger认为,与传统的化学推进技术相比,电推进系统的发射质量与最终入轨质量之比要小得多。如果采用电推进,无疑比化学燃料效能高得多,星际旅行的可能性也大大提升。1958年,美国陆军弹道导弹部门签定了有关电推进的第一个合同。两年后,NASA的马歇尔太空飞行中心委托Hughes实验室进行30千瓦离子引擎的研制,并于第二年作了演示。同时美国无线电公司的航天电子部也受NASA之托,研制出一批用于搭载引擎的太空舱,每个太空舱都能搭载两台引擎,以测试不同的推进剂。1964年,美国的SERT 1卫星携带了两台离子引擎入轨进行测试,其结果是一成一败。杂说离子引擎真空室中正待测试的离子引擎,摄于1959年。(图片提供:NASA)但随着登月竞争的白热化,NASA将研究重点转向建造使用化学燃料为推进剂的重型运载火箭上。直到1992年,NASA Solar Electric Power Technology Applications Readiness计划才重拾当年电推进的概念,决定研制氙离子推进引擎。1996年至1997年间,喷气推进实验室在其真空室中测试了一台由Lewis中心设计制造的氙离子引擎原型机,引擎平稳运转了8000小时。有了这一成功经验,该技术随即被深空1号采用。除去科研应用,波音公司还研制出商用离子引擎XIPS。1997年8月发射的PAS-5是首颗采用XIPS的人造卫星。2001年,欧洲空间局的SMART-1探月计划也使用了离子引擎为主推进装置,辅以化学推进系统。2003年日本发射的Hayabusa则使用了与前二者稍有不同的微波离子引擎。欧空局还计划将离子引擎技术用在未来的引力波探测计划LISA、水星探测计划BepiColombo以及环绕太阳的Solar Orbiter中,NASA也在考虑为将来探测木星卫星的Prometheus探测器安装离子引擎。 工作原理杂说离子引擎深空1号的离子引擎结构图,上排标注自左向右为:推进剂贮藏装置、电中和器,下排为:供电系统、电离室、离子加速电极、推力(图片提供:Boeing Electron Dynamic Devices)。阴极在电离室左端。离子引擎运转的首要条件就是制造离子气体。这通常需要由电子枪来完成。管状阴极发出的电子束被射入经磁化的电离室,与充在室中的气体原子碰撞,令原子电离成一价正离子。如上图所示,电离室的另一端装有一对金属网,网上加有上千伏(深空1号的所加电压是1280伏)的电压,可将离子加速到每秒30米的速度,并从尾部排出,形成离子束,由此产生推力。在这一点上,离子推进技术与传统的化学推进技术一致:推力都是靠喷出物质产生的,只是令物质喷出的方式不同而已。至于电子枪的电源,一般由航天器的太阳能电池板充当即可,这样的结构被称为太阳能——电推进系统,目前采用离子引擎的几项任务都使用此系统。如果想让离子引擎正常工作,还有个疑难问题必须解决:引擎持续喷射出正离子束,会将带有负电的电子留在其中,这就形成了引擎中强大的负电场,严重阻碍了正离子的继续排出,电子积累足够多的话,甚至会将排出的正离子再吸引回来。解决此问题的方案是在喷射离子的排气网附近再安装一支电子枪作为电中和器,持续向离子束中注入电子,既可以中和离子束,又避免了引擎过度带电。当然在实际使用中,还要考虑许多具体细节,比如形成持续离子流的方法。在发展早期,NASA Lewis中心的Harold Kaufman发明了电离汞蒸汽的设备,当时已到马歇尔中心工作的Stuhlinger则研制出了利用钨或铼制成的表面电离铯原子的方法。不过深空1号和SMART-1都使用氙作为推进剂,原因除了氙的推进效率更高之外,更考虑到惰性气体不易对探测器的设备造成损坏,比汞和铯强上很多。尤其是铯,作为活动性最强的碱金属,其强腐蚀性对设备的耐用性和稳定性也是个很不利的因素。另外,还可以利用微波来电离气体,这样的系统叫做微波离子引擎。旨在探测小行星糸川并取样返回的隼鸟号探测器即安装了此种引擎,它亦采用氙作为推进剂,除去离子化设备之外,其他部分与普通离子引擎无甚差别,不过没有查到其电中和器具体使用的是什么装置,未敢定论。杂说离子引擎各探测器的离子引擎。上左:Lewis中心设计的引擎正在JPL进行测试,蓝光由带电离子发出(图片提供:NASA / JPL)。该引擎是深空1号的引擎原型。上右:深空1号的离子引擎,排气网安装在图中央的支撑环内(图片提供:NASA / JPL)。下左:测试中的SMART-1引擎(图片提供:ESA)。下右:隼鸟号的微波离子引擎,其原型机在测试时曾连续运转了超过18000小时(图片提供:ISAS)。其实离子引擎的工作原理并不很复杂,之所以长期没能投入实际使用,不仅仅是由于阿波罗登月计划的干扰,更有新技术的可靠性问题,而各探测任务的参与者往往不希望承担新技术带来的不必要风险。举例来说,虽然理论上讲可以用电子枪解决离子的中和问题,不过要检验这一方法的有效性,必须要排除离子束与真空区域边界相互作用的影响,这在地球上是几乎不可能做到的,所以其效果究竟如何一直不能定论。而作为NASA新千年计划的第一个组成部分,深空1号的主要目的之一就是测试包括离子引擎在内的十余项新技术,科学探测反倒在其次;SMART-1和隼鸟号也为各自的机构承担着类似的技术测试任务,它们自然就可以较少地顾及新技术失败的风险了。 特点及前景离子引擎最大的优点当然是高效。由于离子流的喷射速度比化学推进剂快很多,离子引擎每消耗单位质量的燃料,可以产生10倍与传统推进设备的推力。所以深空1号只携带了81.5千克的氙推进剂,就可以进行20个月的飞行,这对于化学推进剂来说简直是不可想象的。除此之外,离子引擎还可以以持久稳定的推力连续工作数月乃至数年,如此就可以将探测器加速到很快,大大地减少到达目的地所花费的时间。如有人计算过原计划探测Wirtanen彗星的罗塞塔号探测器,如果它改装了离子引擎,抵达彗星所需时间就会从9年减至2年半。不过离子引擎并不象化学推进引擎那样能在短时间内产生强大的推力,所以它并不适合作为运载火箭的发动机或其他需要很大加速度的场合,实际上不论是深空1号、SMART-1还是隼鸟号,都是先由运载火箭发射升空后离子引擎才开始工作的。但稳定的小推力也有自己的优点:它能方便测控人员实时精细调整在轨卫星或探测器的状态,所以对于深空探测来说,离子引擎是很好的选择。尤其是隼鸟号这样的小天体探测器,由于目标天体形状不明,需要自动导航系统实时对航向进行微调,这也许就是隼鸟号采用离子引擎的原因之一。除此之外,离子引擎本身较小的质量和体积也可以说是其一大优点。深空1号的离子引擎只有约8公斤重,直径也只有约40厘米,如此无疑节约了探测器上有限的空间。不过由于目前主力供电系统——太阳能设备的效率低下,这成了离子引擎发展的一大障碍。目前离子引擎主要应用在小型探测器上,如果想进一步将其应用在大型探测计划中,尚需高效率供电设备(如核电设备或新型太阳能帆板)的研发。另外,研究人员也希望能进一步延长离子引擎的工作时间,使其可以全功率工作一年以上,以适应未来的长途探测任务。杂说离子引擎计划中使用离子引擎推进的BepiColombo(左)和Solar Orbiter(右)。(图片提供:ESA)深空1号的表现已充分说明了离子引擎的光明前途,正在运行中的SMART-1和隼鸟号探测器也飞行正常,进一步确认了离子引擎的威力。虽然从某种意义上说,月球探测器使用离子引擎有些浪费,不过未来众多的彗星、小行星和内行星探测计划很可能就是让离子引擎大显身手的舞台了。 参考资料:[1] 关于深空1号,官方主页为:http://nmp.jpl.nasa.gov/ds1/
[2] 关于SMART-1,可见http://www.esa.int/esaSC/120371_index_0_m.html及http://www.esa.int/esaCP/SEM3JQXO4HD_index_1.html
[3] 关于隼鸟号,官方主页为:http://www.muses-c.isas.ac.jp
[4] 关于离子引擎的历史,详见Science@NASA在1999年4月6日的文章ION PROPULSION — Over 50 Years in the Making内容来自 Bo Zhang's Homepage

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