离子引擎工作原理是什么 离子引擎介绍
来源:百度百科 发布时间:2020-12-02 14:59:39

离子引擎就是使用电离气体作为推进剂的飞船推进设备,与太阳帆一道,都属于电推进家族。它也是性能最好、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,1998年,美国彗星探测器“深空1号”首次将离子引擎作为主力推进系统应用在深空飞行。

NASA的最新一代离子推进器的功率达到7KW,而中国电推力器的功率达到1KW至5KW量级。中国空间技术研究院计划在2020年完成50千瓦量级大功率推力器的关键技术攻关。

工作原理

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:推力都是靠喷射物质产生的,只是令物质喷出的方式不同而已。至于电子枪的电源,一般由飞船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,至今为止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Marshall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Deep Space 1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Hayabusa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。

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Deep Space 1的引擎原型。上右:Deep Space 1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:Hayabusa的微波离子引擎,其原形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,Deep Space 1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Hayabusa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。

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