离子发动机真能推动地球“流浪”吗
发布时间:2019-02-09
出品:科普中国
制作:哈尔滨工业大学(深圳) 李会超
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  在小说《流浪地球》中,当人类面临提前衰老的太阳吞没地球的威胁时,“地球派”在全世界建起了诸多地球发动机,这些发动机形成了诸多直插天际的等离子体巨柱,发出如日光灯管一样的蓝白色的颜色。这些发动机的工作使地球停止转动并离开之前的公转轨道,踏上流浪之路。 

  在真实的航天活动中,火箭起飞时从尾部喷出的火焰,也是由火箭的发动机产生的。从表面上看,这些熊熊燃烧的烈焰似乎比那些笔直的光柱更具气势。然而,大刘(《流浪地球》作者刘慈欣)为地球设计的这种发动机方案不但更具备玄幻的科技感,产生的推进效果也要比喷火的化学能发动机要高。虽然人们目前还不具备制造出足以停止地球转动的这类发动机的本领,但基于同样原理的发动机,早已经在各类卫星上得到了广泛应用,还被认为是未来最有希望担起人类迈向深空重任的发动机。

  这种发动机就是本文要介绍的主角——离子电推发动机 

(《流浪地球》电影海报,图中的光柱即为地球等离子体发动机发射的。图片来源 @电影流浪地球 微博) 

  化学能发动机有局限 

  一枚体态巍峨的火箭腾空而起后,最终却只能将重量相对于火箭小很多的航天器送入轨道,如果目的地设定于火星乃至更远,能够运载的航天器质量则更低。 

  例如,去年成功首飞的猎鹰重型火箭的起飞时的整体重量达1420吨。按照SpaceX公布的数据,即便放弃科技感极强的助推器、芯一级回收功能来换取更高运载能力,这种火箭也最多也只能将63.8吨的载荷送到距离地面很近的轨道上。如果将目标瞄准火星或冥王星,其运载能力将降低为16.8吨和3.5吨,仅相当于起飞重量的1.2%0.2% 

(猎鹰重型火箭发射。图片来源:wikipedia 

   

  这样一种尴尬局面的出现并非马斯克和他领导的SpaceX技术不精。事实上,目前任何一种已经服役的火箭均存在着运载有效载荷的重量远小于火箭起飞重量的问题,大部分起飞质量都消耗在了携带的推进剂上。同时,在轨工作的卫星、探测器也要讲一大部分重量分配给携带的推进剂,而不得不减少真正能够执行任务的有效载荷的质量。在地球附近工作的通信卫星,携带的燃料要占到其发射重量的60%左右。 

  而造成这个问题的原因,则要从火箭获得动力的原理说起。 

  

  设想,一台小车上装载了一门大炮。根据牛顿第三定律和动量守恒定律,当大炮开炮时,小车会向大炮炮弹发射方向的反方向加速。对于同样的炮弹,如果从炮口射出的速度增加,则将小车加速到同样速度消耗的炮弹则会减少。 

(如果增加发射药的用量,使得弹丸的出膛速度增加,炮身所在的小车将会向后倒退的更快。图片来源:GIPHY) 

    

  在宇宙航行中,发动机喷出的推进剂就好比上面故事中的炮弹,而火箭、卫星等飞行器则好比上面故事中的小车,推进剂喷出时所产生的反作用力使飞行器加速或减速。要进入特定的轨道,就必须实现特定的速度增量或减量。例如,从地面起飞进入环绕地球的轨道,速度增量一般要达到8公里/秒。而要从这个轨道再进入奔向火星的轨道,则知道要再得到4.5公里/秒的速度增量。在执行同样的任务时,如果要减少使用的推进剂的质量,就必须增大推进剂从喷口中喷出时的速度。目前广泛使用的化学能发动机,都是通过将推进剂中的燃料和氧化剂混合燃烧后再向外喷出的方式,将燃料的化学能转化为动能。在这种原理下,推进剂的喷出速度到达3.5公里/秒后就很难再提高了。这就是使用这类发动机的火箭和飞行器携带燃料的量难以降低的原因。 

(使用化学能发动机的卡西尼-惠更斯号探测器的发动机正在工作,喷出火焰。图片来源ESA) 

   

  离子电推发动机效率高 

  NASA所属的戈达德航天中心以世界航天理论的先驱者、纽约大学教授罗伯特·戈达德的名字命名。在戈达德有生之年,纽约时报曾经嘲笑这位想用火箭飞向月球的教授“缺乏物理学常识”,而在阿波罗11号登月成功后,纽约时报又不得不发表了一则更正,承认事实已经证明他们对戈达德的批评是错误的。罗伯特·戈达德加收无愧航天先驱的称号,因为他除了进行了人类史上第一次液体火箭飞行试验外(虽然只飞了56米),还在20世纪初就前瞻性的首次提出了利用电磁场加速离子来推进飞行器的设想。 

(离子电推发动机原理示意图,图中两块绿色的板即为加速用的栅格板。图片来源Wikipedia 

    

  在历经一个世纪的时光之后,1998年发射升空的美国“深空一号”(Deep Space-1)试验性探测器使用了基于静电力的离子电推发动机,将戈达德教授的设想变成了现实。这种发动机使用氙作为推进剂。当氙进入发动机室后,其中的氙原子核和电子首先在电场的作用下分离,使氙原子核变成游离的氙离子。之后,氙离子进入了发动机中的两片栅格网之间,由其间的静电场加速到较高的速度后喷出。如果只喷出带正电荷的氙离子,而将带负电荷的电子留在发动机中,那么这些电子所带的负电荷就会将喷出的氙离子吸引回来,无法使工作过程持续。 

  为此,工程师们在喷口附近还设计了一条能够喷出电子的管道,使离开发动机的气体保持电中性,避免这个问题的发生。这种发动机的推进剂喷出速度可以达到20-50公里/秒,相比使用化学能的发动机已经有了质的提高。 

   

(深空一号所使用的离子电推发动机试车,发动机喷出了呈现淡蓝色的离子束。图片来源 wikipedia) 

    

  离子电推发动机的技术局限 

  你可能会感到困惑,既然在20世纪末人类已经设计出了实用的离子电推发动机,为什么每次航天发射过程中出现在我们眼前的都是哪些喷火的发动机呢?虽然使用离子发动机后,推进的出流速度得到了提升,但受制于目前的技术水平,在单位时间内喷出的推进剂的量还很少,使得离子发动机的瞬时推力还不理想。虽然深空一号仅花费了74公斤推进剂,就实现了人类飞行器史上不依靠借力飞行等其他手段而实现的最高速度增量,成功到达了布莱页小行星和宝瑞利彗星,但其瞬间输出的推力很小,仅仅相当于一页纸的重量。如此微小的推力还不足以胜任在地面上克服地心引力和空气阻力的重任,因此需要从地面起飞的火箭目前还不能使用电推发动机。 

    

(深空一号探测器正在工作,从尾部射出的就是离子发动机产生的氙离子流。图片来源 Wikipedia 

    

  但一旦进入太空这种近似真空的环境中,离子发动机就可以利用持续工作的累积效应来完成变轨等任务。放到船和大炮的图景中,在无法一次发射质量比较大的炮弹的情况下,大炮接连不停的向外发射与大炮弹速度相同但质量相对较小的炮弹。目前,静电离子发动机是技术最成熟的离子电推发动机。 

  在深空1号之后,黎明号、隼鸟号等探测彗星与小行星的探测器也采用了实用了类似的离子发动机。不少在地球附近工作的卫星也使用它来进行轨道维持等工作,极大的节省了燃料。我国的实践十三号卫星采用我国自主研制的LISP-200离子电推发动机,使卫星减少携带燃料达2.5吨。 

    

  发挥优势,相互配合 

  为了提高离子电推发动机的性能,航天工程师们又提出了霍尔效应发动机和磁等离子体力学发动机的设计。这两种发动机的共同特点是,不再像静电离子发动机那样使用有形的栅格网来加速离子,而是在发动机中构造无形的交错电磁场,利用电磁力加速粒子,从而能在一定程度上提高发动机在单位时间内能够喷出的推进剂总量,使电推发动机获更高的瞬时推力。例如,霍尔效应发动机的阴极在发动机喷口处射出电子,这些电子与发动机内部的阳极共同产生了指向发动机喷口的电场。当推进剂进入发动机室后,首先被电离成等离子体态,即电子与离子相互分离,电子和离子都可以自由运动,但整团气体整体上仍然呈现电中性的气体态。之后,质量较大的离子在指向喷口的电场作用下向外加速,与喷口处的电子会合后形成中性气体被喷出。而电子则在电场及与其垂直的磁场的作用下绕着发动机中心旋转,形成霍尔电流。这些电子旋转的同时还会向阳极漂移,闭合整个发动机的电流回路。同时,电磁场造成的霍尔效应迟滞了电子的漂移速度,避免了发动机电路短路。而磁等离子体力学发动机则把阴极移动到了发动机的中心,阳极则是发动机四周的圆柱金属壁。阴极和阳极间形成的电流感应出了磁场,同时还和电流一起对等离子体施加往向外加速的洛伦兹力。在这两种发动机中,推进剂以整体上呈现电中性的等离子体态存在,而发动机中电磁场与洛伦兹力的产生利用了等离子体的物理性质,因此这两种发动机也被统称为等离子体发动机。霍尔效应发动机的研发最早起源于苏联。上世纪七十年代,苏联的流星1-10、流星1-18等卫星就已经开始应用霍尔效应发动机进行辅助轨道位置。而美国、欧洲等西方国家对霍尔发动机的设计制造则是进入21世纪之后的事。2016113日,长征5号首飞成功,将实践17号卫星送入预定轨道。而这颗卫星的成功在轨验证了我国自主研制的世界首套磁聚焦霍尔电推进系统,标志着我国在等离子体发动机的研发上走到了世界前列。磁等离子体力学发动机则仍处于实验室研究阶段,试验表明它的推进效能可达霍尔效应发动机的10倍。未来,功率达到100KW以上的磁等离子体力学发动机有希望通过太空核裂变产生的电能,实现更强劲的太空推进。 

(实践17号卫星所使用的磁聚焦霍尔推力器。图片来源http://www.chinabeidou.gov.cn/xinwen/865.html 

    

  两种发动机的搭配 

  基于这些设计的等离子体发动机,瞬时推力等性能依然无法与化学能发动机相匹敌。在一段时间里,这两种发动机发挥各自特点互相搭档,可能是飞向深空的航天器能够采用的最优方案。在从地面起飞到近地轨道的过程中,使用基于化学能的火箭提供的较大推力离开地面。在从地球附近飞向深空时,则可以利用电推发动机循序渐进、较为高效的推进能力。 

  这样,虽然火箭的起飞重量仍然很高,但能够向火星至冥王星轨道乃至日球层以外的深空发射的有效载荷的重量就能获得提升。同时,离子电推技术带来的推进效率提升,还有望使深空探测不再依赖于大行星引力的“助攻”(即“借力飞行”),使发射窗口和探测方案的设置更加灵活,有更多的航天器能有机会探索远离地球的深邃太空的奥秘。 

       

  至于地球的流浪,目的地已经设置到了其他恒星,是深的不能再深的深空飞行,等离子体发动机当然是更高效的选择了。 

    

  参考内容: 

  [1] E. Y. Choueiri, New Dawn for Electric rocket, Scientific American, 2009 

  [2] E. J. Lerner, Plasma Propulsion in Space, The Industrial Physicist, 2000 

  [3] F. C. Diaz, Plasma Propulsion for Space Flight, Coalition for Plasma Science, 2007.  

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