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技術原理

編輯

傳統(tǒng)的火箭是通過尾部噴出高速的氣體實現向前推進的。離子推進器也是采用同樣的噴氣式原理，但是它并

離子推進器

不是采用燃料燃燒而排出熾熱的氣體，不采用化學燃燒方式，而是通過電能作用于工質激發(fā)高速離子流向后推進。它所噴出的是一束帶電粒子或是離子。它所提供的推動力或許相對較弱，但關鍵的是這種離子推進器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要離子推進器能夠*保持性能穩(wěn)定，它終將能夠把太空飛船加速到更高的速度。

相關技術已經應用到一些太空飛船上，比如日本的“隼鳥”太空探測器，歐洲的“智能1號”太空船和美國的”黎明號“等，而且技術已經取得了很大的進步。未來較有希望成為更遠外太空旅行飛船推進器的可能就是VASIMR等離子火箭。這種火箭與一般的離子推進器稍有不同。普通的離子推進器是利用強大的電磁場來加速離子體，而VASIMR等離子火箭則是利用射頻發(fā)生器將離子加熱到100萬攝氏度。在強大的磁場中，離子以固定的頻率旋轉，將射頻發(fā)生器調諧到這個頻率，給離子注入特強的能量，并不斷增加推進力。試驗初步證明，如果一切順利，VASIMR等離子火箭將能夠推動載人飛船在39天內到達火星。

特點

編輯

離子電推進發(fā)動機的特點是加速度很低，可能會只有幾厘米/秒甚至更低，有人形容這種推力只能“吹動一張紙”。但與化學火箭極短的燃燒時間不同，電推進火箭提供的加速時間可以很長，因此發(fā)動機比沖很大，就是說同樣質量的工質能提供更大的總推力和終速度。另一方面，衛(wèi)星的調姿和變軌，微小推力往往就已足夠。 [3] 

性能評價方法

編輯

離子推進器是一種動力裝置，評價性能的方法是在保證其推力、比沖的條件下，評價效率的高低，效率越高，說明推進器性能越好，直觀表現為在一定的推力和比沖下，離子推進器所消耗的功率越小，那么性能就越優(yōu)。在進行離子推進器性能評價時，首先要測量推力和比沖，然后再測量或推算效率，或者說是測量推進劑的利用率和所消耗的電功率。 [1] 

離子推進器的推力較小，通常在毫牛頓級，目前國外測量離子推進器推力的方法大致有兩種：一種是直接測量，另一種是用公式計算。由于推力較小，在地面測量時，因為重力、電纜引線和推進劑管路等的影響，會造成較大的測量誤差。為了提高推力測量的準確性，一般采用直接測量和公式計算相結合的方法來測算。一般來說，在產品開發(fā)研制初期，可以采用公式計算法計算推力，在產品基本定型后，再直接測量推力，并與公式法進行比較。目前國外測量微小推力，應用較多的是采用微量天平和激光干涉法測量微小位移，早期還有倒擺和扭擺等機械式位移測量法。我國開發(fā)了天平法來測量微小推力的方法，但是在測量離子推進器的推力時，由于等離子體的影響，使測量系統(tǒng)產生放電打火現象，影響測量結果。推力直接測量法的測量系統(tǒng)都比較復雜，而且測量過程也繁瑣，在測量時，不但需要對系統(tǒng)進行在線校對，而且還會產生噪聲干擾而影響測量精度，離子推進器工作產生的等離子體也會對微量天平產生影響，甚至使天平無法正常工作，還需要進行屏蔽處理。評價離子推進器性能，除推力外，還需要測量比沖，推進劑流量和消耗功率。歐盟在對RIT－XT射頻離子推進器進行性能評價時，主要對其推力、比沖、推進劑利用率（不包括中和器流量）和總功耗進行了測量。 [1] 

現狀

編輯

離子推進器將電能和氙氣轉化為帶正電荷的高速離子流，金屬高壓輸電網對離子流施加靜電引力，離子流獲得加速度，加速后的離子使推進器獲得時速高達143201千米的速度，推動航天器前進。離子發(fā)動機的燃燒效率比常規(guī)化學發(fā)動機的高大約10倍。

自2012年起，經過1萬小時運轉后，中國成功在“實踐9號”科學衛(wèi)星上完成XIPS-20氙離子推進器的測試工作。該推進器直徑只有200毫米，重140千克。離子推進器的主要優(yōu)勢是，盡管與化學燃料發(fā)動機比，離子推進器的推動力相對較弱卻穩(wěn)定、高效，使用燃料較少。在太空探索中，小直徑的離子推進器也能減小衛(wèi)星的質量。 [4]  我國發(fā)射的“實踐9號”攜帶的衛(wèi)星上*次使用了離子電推力技術，從此為我國的航天技術開啟了一扇新的大門。此前該種技術一直被美俄等航天強國所壟斷 [5]  。

研制部門

研制部門是蘭州空間物理研究所（510）所的科研團隊。510所是國內早開展電推進技術研究的單位，早在1974年就開始研制離子電推力系統(tǒng)，到了1986年研制了80毫米汞離子電推進，該成果于1987年獲得了國家科技進步一等獎，在當時達到了*水平，產品水平不弱于從上世紀50年代就開始從事此方面研究的美國?？蛇@反而成了離子電推進系統(tǒng)由勝轉衰的時候。由于當時科學技術的制約，以及美國也沒有開始應用，國家相關部門決定不再從事離子電推進系統(tǒng)的研究。而這一放就是十年。但是510所看好這項技術在未來的發(fā)展前途，并沒有解散這支科研隊伍，通過自籌資金一直維持著這支科研隊伍。并于1988年至1993年期間研制成功了90毫米氙離子電推進系統(tǒng)。

設備信息

實踐9號A星攜帶的離子電推進系統(tǒng)*點火成功，穩(wěn)定工作3分鐘，隨后又進行了第二次點火，穩(wěn)定工作了近4分鐘，實踐九號A星離子電推進系統(tǒng)飛行試驗取得了開門紅。整個離子電推分系統(tǒng)包括1個推進劑貯存模塊、1個調壓模塊、4個流量控制模塊、4臺離子電推進器以及其他附屬設備，系統(tǒng)干重約140千克。單臺離子電推進器額定推力40毫，比沖3000秒左右，工作壽命在10000至15000小時之間，達到了*水平 [5]  。

新型推進器

新型離子推進器研制計劃是在“深空1號“探測器任務成功完成的基礎上制定的。1998年美國發(fā)射一個以驗證*飛行技術為目的的“深空1號“探測器。該探測器由一個直徑3.048分米的離子推進器提供動力，在為期20個月的飛行任務期間，航天器達到了12711千米的時速。 “深空1號“飛行任務的成功是向大功率離子推進的廣泛應用邁出的*步。與“深空1號“離子發(fā)動機相比，NASA更高性能氙推進離子發(fā)動機可攜帶的有效載荷要多得多，壽命更長一些。

太空內推進計劃尋求研制*的推進技術，以便*降低NASA的科學任務的成本、減少質量和縮短行進時間。

離子發(fā)動機

離子發(fā)動機，也就是通常所說的“電火箭”，其原理也并不復雜，推進劑被電離成粒子，在

等離子發(fā)動機

電磁場中加速，高速噴出。從發(fā)展趨勢來看，美國的研究范圍幾乎覆蓋了所有類型的電推力器，但以離子發(fā)動機的研制為主，美國宇航局在其中扮演了活進技術應用及準備計劃”。1998年10月美國宇航局發(fā)射的空間探測器“深空1號“*實現了以離子發(fā)動機系統(tǒng)為主推進，這標志著電推進的應用進入了一個嶄新階段。“深空1號“在離子推進系統(tǒng)工作期間，其自主導航儀能夠根據太陽電池陣產生電能的模型和器載設備功耗的情況，選擇推力器的節(jié)流級，調節(jié)推力大小。在一般情況下，彈道機動和中途修正也由離子推進系統(tǒng)來執(zhí)行。

歐空局已經將電推進作為未來*技術之一。法國正在研制穩(wěn)態(tài)等離子體推力器，歐空局準備應用氙離子推力器。歐空局向月球發(fā)射SMART－1探測器的目的之一就是驗證如何利用離子推進技術把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。

俄羅斯的穩(wěn)態(tài)等離子體推力器得到了實際應用。日本的電弧加熱式推力器已在空間自由飛行器上通過在軌測試。

電推進研究對象還擴展到了一些采用新的工作原理的推進方案，如采用微加工工藝成型的微型離子器、采用等離子體氣體聚變的推力器等。而所有這些項目大多得到了政府和大公司的資金支持。

核推進火箭

上核推進技術的研發(fā)也已嶄露頭角。核推進火箭提供的大速度增量可達到每秒22千米

核推進火箭想象圖

，可以大大縮短探測器到達月球的時間。運用核推進火箭，探測器到達土星的飛行時間只需要3年，而傳統(tǒng)航天器則要花費7年的時間。核推進火箭非常安全而且有利于環(huán)保，這一點與人們平時的想象相反，因為發(fā)射核火箭時，放射性并不強。載有核助推器的空間探測器可作為普通化學火箭頭部的有效載荷被發(fā)射出去，當有效載荷進入地球高軌道(即大約800千米以上)時，核反應堆開始工作。

制造核動力火箭發(fā)動機所需的技術并非遙不可及。美國已經設計出一種小型核動力火箭發(fā)動機，稱為微型核反應堆發(fā)動機，大約還要6～7年可制造出來。美國宇航局表示，它在月球探測技術方面想做的主要是加速包括核能推進在內的新推進技術的研發(fā)工作。在美國宇航局2003財年預算草案中，有4650萬美元用于核推進研究；有7900萬美元用于航天器核反應堆研制。

在月球探測中，縮短到達月球的時間，使觀測衛(wèi)星能以較少的推進劑攜帶更多的觀測儀器等要求，都會使電推進、核推進等高效推進技術成為重要的技術而得以更快地發(fā)展。

發(fā)展趨勢

編輯

小型化輕便化

高效能源變換技術將朝著小

小型離子推進器

型、輕便太陽電池方向發(fā)展。在傳輸技術方面，未來將開發(fā)微波或激光能源傳輸技術，包括從月球探測器，從月球上的能源站到月球探測器等的能源傳輸。

由于傳統(tǒng)控制技術越來越難以滿足航天器月球探測任務多樣性和姿態(tài)控制、軌道控制的高性能指標要求，*航天國家早在20世紀80年代就著手發(fā)展航天器智能自主技術，并在自己的空間探測計劃中逐漸增大了對智能自主技術的投入力度。

在軌智能自主技術

歐空局較早就展開了在軌智能自主技術的研究

離子推進器結構

。美國宇航局“新盛世”計劃把智能自主技術放在*，旨在研制自主航天器，使深的依賴。俄羅斯和日本的航天研究機構，在自主技術方面也都開展了研發(fā)工作。印度宇航界也非常重視具有自主功能的軟件的開發(fā)。

*航天國家在“戰(zhàn)略規(guī)劃→研究開發(fā)→型號應用”各個層次都非常重視探測器智能自主技術。他們往往按照“走一步、看一步、想一步”的三步曲進行發(fā)展，即利用*成熟技術做當前之事，與此同時大力開發(fā)試驗下一步*技術，同時還要想到更遠的需求以便提早作技術發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃。