此时,各位的首页已经被长五复飞成功这一历史性的事件刷屏了。当然,大家也一定对长征五号的知识点又重新复习了一遍,熟得很,所以我就不写胖五了,写点别的。
比如,刚刚发射成功的“实践二十号”卫星上,搭载的一批我国自主研制新型离子推力器。
离子推力器这个东西,大家可能已经不陌生了,毕竟它从外观上就十分地引人着迷。比起十分朋克的化学动力发动机,在工作的时候发出微微光芒的离子推力器显然呈现着另一种别样的美感,它是那么地柔和,与宇宙的冷峻形成了极其鲜明的对比。当然,在这一抹微光中,蕴含着不可计数的高速粒子,它们在强大电场的作用下,以每秒数十公里的速度向外喷射。
由齐奥尔科夫斯基公式
可知,在载荷比m1/m2一定时,喷气速度v越大,其能产生的速度增量△v越大。我们可以注意到,这个喷气速度v是与工质的种类无关的。
同时我们也可以注意到,在高压静电场中,经过加速的粒子能够达到很高的速度。那么很自然的,如果将其搬上航天器,以静电加速后的粒子为工质,则能够产生可观的速度增量,支持航天器实现更长时间的在轨运营,或者前往更远的星球。
尽管粒子的速度飞快,但离子推力器由于只能加速不太多的粒子,因此其产生的推力仅有亚牛级(数百毫牛),相比于推力可达数百万牛的化学动力火箭发动机而言,实在是不够看,甚至给人一种飞不起来的感觉。但它的魅力就在于长期的积累——宇宙是如此的空旷,没有阻力的作用,哪怕推力再小,只要作用的时间足够长,这可观的速度增量还是能被积攒起来。而一般的,相比于火箭发动机按秒计算的工作时间而言,离子发动机的工作时间将长达数千乃至上万小时,无疑也是相当另类的。
那么现在离子推力器的制作理论已经有了,如何去把它做出来呢?
作为电推进装置的一员,离子推力器首先需要强大的电能——静电场仅能够对带电粒子进行加速,因此工质需要带电,而储存的推进剂是电中性的。因此,需要预先让推进剂带电。
同时,由于排出去的气体也同样需要是电中性的,否则其会被推力器吸引。那么,如果加速的工质携带负电,那么在排气口附近需要将电子剥夺;反之,则只需要把电子补回来即可。显然,是补充一个电子要来得方便。因此我们就能得到这样的推力器的构造:前级是一个强大的电离室,将电中性的工质解离出一个电子,让其带正电;后接一个静电加速器,使之加速;最后的喷口附近添加一个放电极,将电子补回来。
你看,构造就这样的成了。
有了合适的推力室之后,接下去我们就要物色合适的工质。这个工质的要求也不少:
第一是能够比较容易地解离出一个电子,即第一电离能较低,否则电离室将会需要比较高的能量对离子进行电离;
第二是能够较为容易地形成蒸汽,或者本身就是气体,这也很好理解,要是不容易形成气体的话,就难以通过电离室电离;
第三是原子量尽可能小,如果原子量越小,丢失一个电子之后,其荷质比会越高,在相同的电场作用下,也更容易达到高速。
那么我们就能在元素周期表中查找合适的原子了。
显然的,我们发现,碱金属、稀有气体、汞能满足需求。实际上,在离子推力器的研究初期,人们就是用铯和汞来实现的。但铯实在是太危险(物理意义上与化学意义上),而且很贵;汞又有剧毒,虽然太空中排污不犯法,但地面测试的人员的意见还是很重要的,因此如今人们往往采用稀有气体作为工质。其中,用得最多的就是氙,也有用氪以及氩作为工质的。
这样的推进技术,最早在1959年由NASA的哈罗德·考夫曼(Harold Kaufman)成功实现。他研制的离子推力器,其电离室的电离方式采用最为简单粗暴的电子轰击,直接利用空心阴极产生的电子束流,将工质的电子轰击出去,因此采用电子轰击的方式实现电离的离子推力器又称为考夫曼推力器。尽管这是一甲子之前的发明,但人们依旧用它到现在,无他,其离子产生成本最低,电离一个离子只需要约100eV的能量。
看到了离子推力器大有可为,NASA便着手将其实用化。仅仅一年之后的1960年,10cm的汞离子推力器便面世。这里的10cm指的是加速栅极的直径,一般的,加速栅极直径越大,其能够喷射的离子越多,推力也越大。但同样的,加速栅极直径的增大导致了需要加速的工质数量也越多,对系统的电能供给、磁场约束等带来了新的挑战。
在第一个样机研制完毕后,NASA便着手于上星验证于优化发展的工作。1964年7月,一枚探空火箭发射,上面搭载有一台刘易斯航天中心制造的考夫曼式离子推力器,首次尝试让离子推力器在空间环境下运行。至上世纪80年代,NASA陆续研制出13cm,25cm,30cm的离子推力器,当然工质早已改成了氙离子。1998年10月24日,NASA发射了“深空一号”(Deep Space I)探测器,首次将离子推力器作为卫星的主要动力,成功完成了对小行星及彗星的探测任务。
现如今,离子推力器正在越来越广泛地作为小行星、彗星等弱引力天体探测的标配动力,包括美国的“黎明号”探测器,日本的“隼鸟”系列探测器在内,离子推力器都作为主要动力,大放异彩。
就在今年早些时候,我国也公布了小行星探测计划,在未来的3年中,我国也将发射一枚探测器,实现小行星的采样返回。国产的离子推力器也必将作为主要动力,实现这一目标。
然而我国离子推力器的研发也经历了一段曲折的旅程,让我们把目光移向祖国的大西北。
1957年,甘肃省兰州市。
为了满足我国的核工程与核物理新的建设需求,1956年,中苏双方确定,由苏联援建一台1.5m直径回旋加速器。为了让这台加速器顺利落地,中国科学院核物理研究所在兰州成立了中国科学院兰州物理研究室,几十名专家学者、工作人员、当地干部组成了最初的班子,他们将根扎在了那里。
然而事情也并不是一帆风顺的,随着国内形势的变化以及苏联援助的撤回,这台加速器一直到1962年才得以建成。同年,兰州物理研究室拆分成两个所,一所改名中国科学院近代物理研究所,一直到今天,它都是我国近代物理研究的重要组成部分,其产出的海量科学研究成果,也让我国在这个领域跻身世界前列。
而另一所,名字变成了兰州物理研究所,由当时负责真空技术的科学工作者组成班子。
加速器的运行需要很高的真空度,而真空技术,以及衍生出来的其它技术,不仅可以用于加速器,还可以服务于其它的众多领域。
比如,太空。
1968年,中国空间技术研究院成立,钱学森担任院长。同年,兰州物理研究所划归航天系统,更名兰州空间技术物理研究所,即510所。自此,这个我国航天系统内最西边的研究所,将在未来的半个多世纪中,展现着属于自己的价值。
最早的尝试来自于航天器环境模拟的要求。空间环境的高真空、极端温度、辐射等因素对航天器产生了相当巨大的影响,在地面上对太空环境实现充分的模拟,可以大大提升航天器运行的成功率。当然这是后话,有机会的话,我们将继续讲讲KM系列环境模拟装置的一些故事。
很快人们将目光转向了离子推力器,它本身相当于一台微缩版的加速器,那么自然而然的,有前面做加速器的基础打底,研制离子推力器的可行性也是很高的。
于是在1974年,510所在国内率先开展了离子推力器的研究。
其技术路径与美国如出一辙,首先利用便宜易得的汞作为工质,从小直径的离子推力器开始做起。1986年,我国首台80毫米汞离子推力器研发成功,次年,荣获国家科技进步一等奖。
12年的艰苦研发,终于得偿回报,一轮朝阳正在冉冉升起。
然而,这轮朝阳突然就熄灭了。
相关部门决定,终止离子推力器的研究。
其实这也不能怪它们,因为这项技术实在是太超前,即便是美国,也直到1997年,在“泛美5号”卫星上首次实现了离子推力器的正式应用;而且,离子推力器作为一个不折不扣的“电老虎”,其配套的PPU(Power Processing Unit,能量处理部件)也受到限制;更重要的是,当时我们还有更加重要的事情要做。
我无意作出更多的点评,毕竟这不是拍电影。即便是成年人,也不得不作出相当艰难的抉择,而既然是抉择,就不得不付出一些代价。当时放弃了,今天再捡起来,再追赶潮流,又是一个无比艰苦的过程。
不过从某种意义上说,生活也有电影的桥段。
当一个项目终止的时候,项目团队需要解散。不过510所的人们依旧认为离子推进技术还有得发展,而且肯定会实现更加广泛的应用,因此这个研发队伍大部分依然得到了保留。但显然的,失去了国家的支持,只能自带干粮了。
即便条件困苦至如此,1993年,510所的研究人员们依旧研制出了90mm的氙离子推力器,有毒的电推进剂就此成为了过去式。
曾几何时,1997年“泛美5号”与1998年“深空1号”的成功让世界为之震惊。在项目下马后的12年,1999年,相关部门终于决定重新对离子推力器项目进行支持。
两轮曲折岁月,谁解其中辛苦。总是有那么一群人,他们心甘情愿地为了一个目标而奋斗,哪怕暂时没有人支持。
2004年,我国第一台200毫米氙离子推力器原理样机问世。
2007年,这台原理样机变成了工程样机,通过了鉴定实验。
通过了鉴定实验后,制作正样,上星搭载的目标也不远了。
2012年10月14日,我国民用新技术实验卫星,“实践九号”A/B双星成功发射,进入预定轨道,这是我国的离子推力器首次在空间环境下工作,任务圆满完成。
2017年4月12日,“实践十三号”高通量卫星发射,510所研制的LIPS-200离子电推进系统作为主要动力之一,成功实现了全寿命在轨运行,再次为电推上星扫清了障碍。
经过了升级发展后,LIPS-300新型离子推力器也成功研制,这台300mm的氙离子推力器作为东方红五号卫星平台的主要动力。
就在此时,它已经搭载于“实践二十号”这个“东方红五号”平台实验星上,飞向地球同步轨道。而这也标志着,经过了30多年的风雨,我国在中等功率的离子推力器领域也终于可以跟NASA掰掰腕子了。
故事仍未停止。
30多年前解散的团队,有部分成员回到了不同的单位。他们也在继续着电推进事业的理念。
在刚刚结束的第十五届中国电推进技术研讨会中,60余家航天科研院所与高等学校的260余名代表与青年学者与会,一大批新的理论与工程成果得到展现。除了离子推力器之外,还有霍尔推力器、脉冲等离子体推力器等等,它们作为电推进系统的重要补充部分,也在近年来实现了在轨搭载验证。
比如国产的霍尔推力器,其也作为“实践十三号”的重要动力之一,在太空中翱翔;国产的脉冲等离子体发动机也首次搭载于今年年初发射的“灵鹊-1A”技术验证星上,一飞冲天;搭载于“太极一号”的微牛级射频离子推力器在轨测试工作也在前两日圆满结束,工作顺利……
而国产的离子推力器还在向更大功率,更长寿命的方向迈进。LIPS-400与LIPS-200+等新的产品还在研制之中,未来一定有那么一天,我国的离子推力器真的能带着我们飞向更加浩渺的星空,探索更加深邃的宇宙。
深空并不是黑暗无垠的,那一抹难以熄灭的微光点亮着它。
微光并不是凭空而来的,那一群未曾闻名的人们点亮着它。
还有很多的航天院所与航天成果值得好好说说。
感谢阅读,新年愉快。
来源:知乎 www.zhihu.com
作者:天才琪露诺
【知乎日报】千万用户的选择,做朋友圈里的新鲜事分享大牛。
点击下载