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打破太阳系枷锁:霍尔推进器

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1楼2020-03-05 16:15
    长贴,防断层!


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    2楼2020-03-05 16:15
      离子发动机、光子发动机、霍尔推进器......莫急,咱们先给这些充满科幻色彩的概念划一条边界。
      截止今天为止,人类所有的火箭发动机,都是依靠向外扔东西产生的反作用力获取动力,学术点说就是动量守恒定律。
      现有的物理理论,对引力空间的认知水平和神棍差不多,完全不存在动量守恒之外的发动机原理。
      因此在很长一段时间内,发动机还得靠扔东西产生动力,扔得越快,动力越大。
      非常抱歉,混了这么多年还是牛顿第三定律。


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      3楼2020-03-05 16:18
        1、火箭极限
        所以,但凡想上天的发动机,都是围绕“如何更快地扔燃料”而设计的。
        比如飞机发动机,为了扔得更快,就拼命倒燃料,燃烧需要空气,于是就在发动机里装了一台抽风机。但是空气的含量只有20%,就算抽风机把空气压缩成液体塞到燃烧室里,其实也没多少氧气,所以燃料喷射速度并不快,只有每秒几百米,这对火箭来说简直就是塞牙缝。
        火箭发动机自带纯氧,燃料当然更充分,燃料喷射速度能达到2-5km/s。可惜这么多年过去了,最好的燃料依然还是液氢液氧,想要更快,就得用炸药了。
        炸药的爆炸速度一般是7km/s,不过用炸药当燃料,一般人可吃不消。
        总的来说,如果不考虑尚未实用的全氮阴离子盐,这大概就是化学燃料的极限了。


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        4楼2020-03-05 16:23
          说得有点抽象,本僧来秀一把硬核计算。假设把20吨货物送到近地轨道,不考虑空气阻力、势能和火箭干重:
          若燃料喷射速度是600m/s,则需要1000万吨燃料。这是飞机发动机的水平。
          若燃料喷射速度是2.5km/s,则需要451吨燃料。这是当前主流火箭的及格线。
          若燃料喷射速度是5km/s,则需要77吨燃料。接近当前化学燃料的理论极限。
          若燃料喷射速度是30km/s,则需6吨燃料。霍尔推进器的喷射速度。
          若燃料喷射速度是300km/s,则需534公斤燃料。据说这是仅靠现有技术就能压榨出的离子发动机的全部潜能。
          不过理论上,只要电压足够大,离子可以无限接近光速,比如对撞机能把粒子加速到光速的99%以上,若是把这当成发动机喷射燃料的速度......把20吨货送到近地轨道,仅需532克燃料。
          前景算是很美好了,下面该倒苦水了。


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          5楼2020-03-05 16:28
            2、离子发动机
            你可能想不到,像离子发动机这么科幻的设备,居然在1959年NASA的考夫曼就搞出来了。


            考夫曼与他手中的离子推力器


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            6楼2020-03-05 16:31
              其大概原理和电磁炮差不多,如下图:先将汞注入电离室,然后电子枪注入电子,用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子,汞离子呈正电,用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力。


              在出口附近再装一把电子枪, 向离子束注入电子,使其中性化,恢复成原子。不然带电离子会沾满整个航天器,发动机内部也会积累电子产生静电,各种麻烦。


              简单来说,前面用电子枪电离,后面用电场加速,原理一目了然。不过考虑到推进效率和腐蚀性,现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙。


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              7楼2020-03-05 16:36
                1998年美国“深空1号”彗星探测器首次将离子发动机作为主力推进系统应用在深空飞行,发动机自重只有8公斤,仅携带82千克氙就进行了20个月的飞行。


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                8楼2020-03-05 16:38
                  电离不一定非得用电子轰击,比如把盐扔到水中就可以得到氯离子和钠离子,还比如,微波也可以直接电离气体。
                  2019年有个大新闻,日本隼鸟二号探测器在3亿公里外的小行星成功取样,用的就是微波离子发动机,采用微波电离。


                  在小行星降落、采样、上升,一气呵成


                  离子推进器的原理和结构并不复杂,但问题也很多。比如后面正负极的加速格栅就很碍事,不但效率不行,还得经受高速离子的冲击腐蚀,对材料要求贼高。
                  于是,大家就想起了霍尔。


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                  9楼2020-03-05 16:42
                    然后呢?没了


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                    来自Android客户端10楼2020-03-05 16:42
                      3、霍尔推进器
                      相比原理单纯的离子推进器,霍尔推进器的原理就有些烧脑了,小盆友们看出点感觉就行。
                      先说下霍尔效应:电流在磁场中通过时,电子或离子会横向移动,导致导体有个横向的电势差。就好像长江水流有个横向的作用力,使南岸的水位比北岸的高。
                      这样的好处是,当电子(负电)和离子(正电)混在一起时,可以利用霍尔效应分开,做到一边电离一边加速。也就是说,霍尔推进器把电离部分和加速部分合到了一起,也就是把磁场和电场合到一起,舍弃了原先碍事的加速格栅。


                      为了让混在一起的电子和离子各司其职,磁场和电场的设计显然更为精巧,喷口从一面筛子变成了一个环形结构。



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                      11楼2020-03-05 16:47
                        4、八仙过海
                        离子推进器和霍尔推进器是最主流的两类应用,两者差别一目了然。


                        原理再调整一下,还能分出很多类型,比如:脉冲等离子体推进器、磁等离子体推进器、电弧加热推进器等等。
                        基本思路都是先把原子电离,然后用电场轰出去。至于原理么,本僧只负责把这组德文图片补齐,能领悟多少就看阁下造化了:




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                        12楼2020-03-05 16:52
                          不过说实在的,因为本质上都是折腾离子,所以笼统地称为”离子推进器“也没什么不妥。还有,发动机、推力器、推进器,只是叫法不同,都是一个意思。
                          离子推进器有个优点是不挑食,易电离的原子都可以作为推进剂。氙是当前主流推进剂,但人家毕竟是稀有气体,很金贵的。所以其他推进剂也很热门,如锌、氮、碘、镁、铋等,光谱都不一样,煞是好看。


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                          13楼2020-03-05 16:55
                            5、积跬步至千里
                            离子推进器虽然喷口速度比化学发动机快一个数量级,但喷出来的东西实在太少,算到最后推力实在小的可怜,所以都用”毫牛“做单位,和放屁的力气差不多。
                            因此从地面到太空还得靠化学火箭,到了太空才是离子推进器的舞台。
                            1998年美国深空1号,离子发动机喷口速度接近30km/s,但工作一整天只能喷100克燃料,仅仅给卫星增加了10m/s的速度,算下来推力只有90毫牛,相当于9克的重量。
                            好在这玩意儿实在持久,累积工作14000小时,期间各种加速减速,与小行星你来我往,战功硕硕。


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                            14楼2020-03-05 17:05
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                              2007年美国的Dawn黎明号小行星探测器,3台离子推进器,推力92毫牛,累积飞行11年69亿公里。
                              2018年欧洲宇航局发射的BepiColombo水星探测器,4台离子推进器,合计推力290毫牛,计划飞行7年90亿公里。
                              欧洲SMART-1尽管只是探测月球,也使用了离子发动机为主推进器。
                              还有从3亿公里外的小行星上取样品的隼鸟号,屁股上4台离子推进器格外醒目。


                              除了深空飞行,在地球附近的变轨爬坡,也不乏离子推进器的身影。因为离子推进器靠电运用,所以也叫电推。
                              2015年SpaceX发射了两颗全电推进的通信卫星,安装了4台XIPS-25离子推进器,推力165毫牛。


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                              15楼2020-03-05 17:13
                                虽然看不懂,顶一下,赶上直播了。


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                                来自Android客户端16楼2020-03-05 17:14
                                  这俩卫星靠离子推进器从转移轨道爬到了3.6万公里高的同步轨道:


                                  原本这类在地球附近的变轨都是化学火箭的事儿,几小时就能完成,但要多带好几吨燃料。离子推进器则相反,小巧玲珑成本低,但变轨过程要持续几个月。
                                  显然,最近几年大伙的耐心是越来越好了,商业卫星采用全电推进的比例大幅上升,估计已经超过一半了。
                                  离子推进器本就不高的门槛快被踏烂了:美国L-3公司的XIPS离子系列、Busek公司的BHT霍尔系列、AMPAC-ISP公司的T霍尔系列,日本的μ微波系列,英国的T离子系列,德国的RIT射频系列,俄罗斯SPT霍尔系列......


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                                  17楼2020-03-05 17:18
                                    6、秋毫之末定乾坤
                                    大伙可能没想到,推力小骑士还有优点:精准!
                                    你想想,化学火箭轻轻吹口气就狂风暴雨,要把握力度就太难了。推力小了,反而可以精准调控,特别适合那些精度要求极高的卫星。
                                    2009年欧洲宇航局发射的GOCE探测器,以前所未有的精确度绘制了地球重力场。由于测量精度要求很高,卫星必须在大约250公里的低轨道飞行,而这个高度有很多空气分子,微小的空气阻力会导致卫星高度逐渐下降。
                                    于是,GOCE就装了离子推进器,用来抵消细微的空气阻力,这货持续工作了2年,让卫星始终保持在一个精准的轨道上,展现了无与伦比的优势。


                                    如今,轨道定位、控制姿态完全是离子推进器的天下了。但这点能耐其实不算啥,离子推进器真正的绝活儿在这儿呢:
                                    还记得地面引力波怎么探测吧,引力波使相隔4公里的反射镜产生了0.000000000000000001米的位移。若想位移更显著一点,就得增加反射镜间距,地球上这点距离已经无法满足要求了,于是大家想到了太空。
                                    激光干涉空间天线LISA,美帝和欧萌合作的太空引力波探测计划,打算2030年代完成,用3颗卫星组成边长250万公里的三角形,激光跑完全程得花25秒。有兴趣的小盆友,给你个官网:https://lisa.nasa.gov/


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                                    18楼2020-03-05 17:27
                                      现在问题来了,引力波探测的本质就是测量微小移动,要是卫星自己抖个不停,那就没法干了。
                                      所以,卫星必须真真正正“静止”在太空,成为超静超稳平台,学术点说就是“无拖曳控制”技术,通俗点说就是消除卫星受到的各种干扰力。
                                      比如,太阳光照到卫星上产生的光压,宇宙射线打到卫星上产生的微小推力,空气分子零零星星逃逸到太空产生的阻力,诸如此类。
                                      不用说了,这种活,非离子发动机莫属。
                                      2019年底长征四号把中国的“天琴一号”送上了天,离子发动机推力精度达到了0.0000001牛,成功完成无拖曳控制飞行验证,成为世界上第二个掌握该技术的国家。


                                      预计2035年用3颗天琴卫星,在10万公里的高度上,组成臂长17万公里的等边三角形,建成中国的太空引力波探测系统。


                                      从参数上看,天琴比LISA还是有些差距,可谁让咱们钱多呢?星间距离300万公里的“太极计划”已经上日程了......


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                                      19楼2020-03-05 17:34
                                        7、星辰大海在哪里
                                        尽管离子发动机目前能干的活不多,但比化学发动机更值得期待,咱不妨憧憬憧憬。
                                        科幻片看多的小盆友通常有个误区,以为飞船是一路开着发动机到月球、到火星。其实,无论去月球还是去火星,飞船都是在地球附近加速到某一速度,然后无动力飘过去,和洲际导弹一样,是被扔过去的。
                                        举个例子,阿波罗登月,从地球到月球一路飘了13天,而发动机只在一开始工作了短短1010秒,十几分钟而已。
                                        这赶路的效率自然就很感人了。以地球和火星为例,最近距离大约5500万公里,一般都得飘两三百天。2012年美国好奇号火星探测器,整整飘了254天才降落在火星表面。


                                        假设好奇号不是飘过去的,而是用发动机一直推过去的,得多少时间呢?如果把地球和火星距离简化成两点一线的加速减速过程,舒舒服服按一个G的加速度去火星,只要42小时,相当于一趟绿皮火车。
                                        同理,如果我们能持续以一个G的加速度飞行:到月球只需3.5小时,而阿波罗用了3天;到太阳系最远的海王星,只需16天,而旅行者2号整整用了12年;追上已经飞了43年、211亿公里外的旅行者1号,只需24天。
                                        这是什么概念呢?太阳系就相当于大航海时代的太平洋,人类终于能摸到太阳系的边缘了。


                                        这一天遥远吗?


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                                        20楼2020-03-05 17:42
                                          1999年,重启离子电推进研究。2004年,我国第一台200毫米氙离子推进器样机问世,补上了落下20年的课。
                                          ”实践号“是科学试验卫星,很多航天技术都在这个平台上验证。
                                          2012年“实践九号”A/B双星,首次使用离子推进器,推力40毫牛,喷口速度30km/s,算是赶上了国际水平。
                                          2019年12月升空的“实践二十号”搭载了十多项国际领先技术,其中300毫米的LIPS-300离子推进器,喷口速度达到了40km/s,推力200毫牛,首次实现了高低功率双模式,成功踏入第一梯队。
                                          更大一号的400毫米LIPS-400已经完成原理样机的试验,推力336毫牛,开关次数、累积寿命、功率调节、效率等各项性能都是棒棒哒。
                                          前面耽误了20年,后面恶补了20年,终于可以跟美帝掰掰腕子了。


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                                          22楼2020-03-05 17:52
                                            9、任重道远
                                            离子发动机的推力不但取决于离子喷射速度,也取决于离子密度。霍尔推进器虽然有了长足进步,但喷出的离子还是少得可怜,所以推力上不去,限制了应用。
                                            为了增加推力,科学家想到了一个绝妙的主意:可变比冲磁等离子体发动机VASIMR。
                                            核心区别在于,离子被电场加速前,先用微波加热到100万度。温度的微观本质就是粒子速度,这团高温等离子体就是一堆高速乱飞的离子,只要用电磁场将乱飞的离子引导到一个方向上,就可以极大的增加喷射速度。


                                            可变比冲磁等离子体发动机有诸多优点:第一,粒子密度高;第二,喷口速度可达300km/s;第三。水二氧化碳啥都可以当推进剂;等等。就是块头有点大:


                                            不过VASIMR的块头不是白长的,功率100千瓦算得上霍尔推进器的最高纪录,但在VASIMR这儿只能算个起步,美帝的VX-200轻轻松松玩到了200千瓦。
                                            尽管VASIMR的能量利用率和霍尔推进器差不多,都是每千瓦产生约0.05牛推力,但大块头高耗电是很难在天上混的。
                                            目前,可变比冲磁等离子体发动机,貌似只有美帝在前面趟路,到时候咱们估计还是发扬光荣传统:摸着美帝过河。


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                                            24楼2020-03-05 18:08
                                              最后还有一道被忽略的算术题。
                                              卫星依靠太阳能发电,100千瓦的功率需要300平米的太阳能面板。按这个比例,8万牛需要150万千瓦,折合太阳能面板4.5亿平米!先不说成本,光增加的重量也得拖垮推进器。
                                              伺候这种耗能大户,太阳能靠不住,怕是只有核聚变了。说到可控核聚变,这又是一个伤心的话题......


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                                              25楼2020-03-05 18:10
                                                10、聚变直喷
                                                既然这事已经扯到了核聚变,就没理由不说一说“聚变直喷发动机”,一种停留在传说中的火箭发动机。
                                                总结来说,离子发动机本质上是用电磁场加速离子,目前理论极限是VASIMR的300km/s,离速度极限30万km/s还有不少上升空间。
                                                但是,先聚变发电,再用电力驱动离子,能量利用率并不高。就好像用汽油发电,再用电动机驱动汽车,莫不如直接用汽油发动机。
                                                于是,有人提出一种惊为天人的发动机思路:直接将聚变反应后的高温等离子体引出来做推进剂,喷口速度可以达到20000km/s,光速的十五分之一。在这种喷射速度下,只要每秒喷出4克燃料,推力就达到了8万牛。


                                                尽管聚变直喷发动机在技术上还是没影的事情,但好歹理论已经趟到这了,就算物理学一直没突破,再过几百年也还是有盼头的。
                                                若真有一天,人类实现了以1G加速度持续星际飞行的目标,离太阳系最近的半人马座三星只有4.22光年,想想还有点期待呢~!


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                                                26楼2020-03-05 18:16
                                                  什么时候可以用反物质作为推进器?


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                                                  来自Android客户端27楼2020-03-05 19:07
                                                    楼主是真大神,多谢科普。


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                                                    来自Android客户端28楼2020-03-05 19:18
                                                      我感觉现在的人类还是太过想过目前这种安逸的生活,如果把钱和人才全部用在探索宇宙上该多好,就楼主说的那个用聚变直喷发动机,个人感觉真要齐心协力几年就可以完成。你想想核动力航母 核电站发电都多少年了,直接将核聚变反应后的高温等离子引出来做做推进器是完全可以的。核聚变体积可以做小,真要不行就先送去轨道然后对接安装,任何国家都是不想做不想探索太空真要做几年就可以了


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                                                      来自Android客户端29楼2020-03-05 21:05
                                                        不明觉厉


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                                                        来自Android客户端30楼2020-03-05 21:23
                                                          +3


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                                                          来自Android客户端31楼2020-03-05 21:44
                                                            很有意思!


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                                                            来自Android客户端33楼2020-03-06 09:13