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電火箭發(fā)動機(jī)是用電能加速工質(zhì)（工作介質(zhì)）形成高速射流而產(chǎn)生推力的火箭發(fā)動機(jī)。它與化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)不同，能源和工質(zhì)是分開的。電能由飛行器提供，一般由太陽能、核能或化學(xué)能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置得到。工質(zhì)常用氫、氮、氬或堿金屬（銫、汞、銣、鋰等）的蒸氣。電火箭發(fā)動機(jī)比沖高、壽命長（可起動上萬次，累計(jì)工作上萬小時），但推力小于100牛（10公斤力），適用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持和星際航行等。 [1] 

中文名

電火箭發(fā)動機(jī)

外文名

Electric Rocket Engine

目錄

1. 1 發(fā)展歷程
2. 2 組成結(jié)構(gòu)
3. 3 發(fā)動機(jī)分類
4. 4 試驗(yàn)應(yīng)用情況
5. 5 整體評價(jià)

發(fā)展歷程

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1906年美國R.H.戈達(dá)德提出用電能加速帶電粒子產(chǎn)

電火箭發(fā)動機(jī)

生推力的設(shè)想，并于1916年進(jìn)行了初步試驗(yàn)。電火箭發(fā)動機(jī)的推力很小，不可能用它從地面發(fā)射任何有效載荷，因此一直未能進(jìn)入實(shí)用階段。直到1957年*顆人造地球衛(wèi)星上天以后，電火箭發(fā)動機(jī)的研究才逐漸引起重視。1960年以后，蘇聯(lián)、美國研制出各種電火箭發(fā)動機(jī)，并進(jìn)行了多次空間飛行試驗(yàn)。中國和其他一些國家也相繼開展了電火箭發(fā)動機(jī)的研究和制造。已研制成功100多個不同類型、不同尺寸的發(fā)動機(jī)，使電火箭發(fā)動機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段。

隨著空間事業(yè)的不斷發(fā)展，人們對空間探測器和衛(wèi)星的壽命提出了更高的要求。而電火箭具有高比沖、低推力、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，所以它特別適宜在長壽命衛(wèi)星上使用。美國國家空間委員會把它列為未來50年空間六大關(guān)鍵技術(shù)之一。從本世紀(jì)六十年代起，歐美和日本等不少國家積極開展了這方面的工作。我國在六十年代末期也開展了這方面的研制工作。截止1986年，已召開了18屆電推進(jìn)會議。 [2] 

組成結(jié)構(gòu)

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電火箭發(fā)動機(jī)由電源、電源交換器、電源調(diào)節(jié)器、工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)和電推力器組成。電源和電源交換器供給電能；電源調(diào)節(jié)器的功用是按預(yù)定程序起動發(fā)動機(jī)，并不斷調(diào)整電推力器的各種參數(shù)，使發(fā)動機(jī)始終處于規(guī)定的工作狀態(tài)，工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)則是貯存工質(zhì)和輸送工質(zhì)，電推力器的作用是將電能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的動能，使其產(chǎn)生高速噴氣流而產(chǎn)生推力。 [3] 

發(fā)動機(jī)分類

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電火箭發(fā)動機(jī)按工質(zhì)加速方式可分為三種類型：電熱火箭發(fā)動機(jī)、靜電火箭發(fā)動機(jī)和電磁火箭發(fā)動機(jī)。

電熱火箭發(fā)動機(jī)

電熱火箭發(fā)動機(jī)利用電能加熱（電阻加熱或電弧加熱）工質(zhì)(氫、胺、肼等），使其氣化，經(jīng)噴管膨脹加速后，由噴口排出而產(chǎn)生推力。

電阻加熱方式的電熱火箭發(fā)動機(jī)，受金屬電

熱絲熔點(diǎn)的限制（如鎢的熔點(diǎn)為3650K)，工質(zhì)溫度一般低于3000K，所以比沖不可能提髙，一般在3000m/s左右。電弧加熱方式不受電熱絲熔點(diǎn)的影響，工質(zhì)溫度可高達(dá)5000?10000K，比沖可達(dá)6000?16000m/s，但熱損失大，效率只有40%左右。電熱火箭發(fā)動機(jī)的推力一般為0.01?0.1N。 [4] 

靜電火箭發(fā)動機(jī)

靜電火箭發(fā)動機(jī)的工質(zhì)（汞、銫、氫等）從貯箱輸入電離室被電離成離子，然后在電極的靜電場作用下加速成髙速離子流而產(chǎn)生推力。

發(fā)動機(jī)工質(zhì)的中性粒子從儲箱輸出后進(jìn)入電離室被分解為正

、負(fù)離子，帶正電的離子在聚焦電極和加速電極靜電場的作用下被加速成離子射束。在出口處離子射束與中和器發(fā)射的電子耦合成中性的高速射流，噴射而產(chǎn)生推力。 [4] 

靜電火箭發(fā)動機(jī)在理論上沒有受熱問題，比沖可高達(dá)85000?200000m/s,效率也比較高。但在空間條件下，要保證出口離子束的穩(wěn)定和中和，建立能可靠提供數(shù)萬伏電壓的電源，技術(shù)上還存在許多困難。

電磁火箭發(fā)動機(jī)

電磁火箭發(fā)動機(jī)是利用電磁場加速被電離工質(zhì)（氫、氦、氬、鋰蒸氣等），在髙溫條件

下電離成具有導(dǎo)電性的中性等離子體。載流等離子體在磁場的作用下產(chǎn)生洛倫茲力，使等離子體加速噴出產(chǎn)生推力。 [4] 

電磁火箭發(fā)動機(jī)有自身感應(yīng)磁場和外加磁場2種構(gòu)造形式，2種形式的工作原理相同，僅構(gòu)造和性能有所差異。圖5-16為自身磁場式電磁發(fā)動機(jī)原理示意圖。電流從環(huán)形陽極流向中心圓柱形陰極，工質(zhì)從燃燒室后部進(jìn)入，隨機(jī)被電離加速。等離子體內(nèi)軸向電流分量Jz感應(yīng)產(chǎn)生自身磁場B0和徑向電流分量Jz互相作用，產(chǎn)生軸向的洛倫茲力Fz使等離子體加速產(chǎn)生推力，目前電磁火箭發(fā)動機(jī)的比沖可達(dá)50000?250000m/s，推力5MN左右，效率25%左右。[4] 

試驗(yàn)應(yīng)用情況

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靜電式電火箭發(fā)動機(jī)由于比沖，且在白瓦級（這是現(xiàn)行太陽能電池容易給出的功率）功耗下的效率又高，因而是世界各國發(fā)展的重點(diǎn)。進(jìn)行過的*實(shí)驗(yàn)有8厘米電火箭發(fā)動機(jī)的15000小時循環(huán)壽命試驗(yàn)。700系列30厘米電火箭發(fā)動機(jī)的10000小時壽命試驗(yàn)。這兩個試驗(yàn)都是在地面進(jìn)行的。在空間進(jìn)行的試驗(yàn)有美國的“空間電火箭試驗(yàn)Ⅰ號”衛(wèi)星(SERT-Ⅰ)和日本的“工程試驗(yàn)衛(wèi)星Ⅰ號”（ETS-Ⅰ）。在SERT-Ⅰ上裝有兩臺15厘米的汞離子發(fā)動機(jī)，它們在空間工作和貯存了11年之久，實(shí)際分別工作了7939和6665小時。在ETS-Ⅰ上裝有兩臺5厘米的汞離子發(fā)動機(jī)，分別工作了53和220小時。這些試驗(yàn)證明：①汞離子發(fā)動機(jī)在空間工作和在地面一樣具有長壽命和多次起動能力，性能幾乎不隨時間變化。②直接和間接推力測量表明，發(fā)動機(jī)在空間的推進(jìn)性能與所預(yù)測的一樣，*適于作衛(wèi)星的位置保持、軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)。③從衛(wèi)星的工作情況和太陽電池的衰減情況來看，汞離子發(fā)動機(jī)和衛(wèi)星是相容的。④離子發(fā)動機(jī)工作時，衛(wèi)星的表面電位被鉗制在較低值，因而兼有保護(hù)衛(wèi)星的功能。 [2] 

美國在“林肯衛(wèi)星”上進(jìn)行過微牛頓級的聚四氟乙烯脈沖等離子體電火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)。日本在技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星4號”上進(jìn)行過試驗(yàn)。我國于1982年*進(jìn)行了脈沖等離子體電火箭發(fā)動機(jī)的飛行試驗(yàn)，其參數(shù)為：元沖量6.5mg、比沖2800m/s、功耗5W。蘇聯(lián)從60年代以來進(jìn)行過多次電火箭發(fā)動機(jī)的飛行試驗(yàn)。在“探測器2號”上裝有6臺脈沖等離子體電火箭發(fā)動機(jī)，用于衛(wèi)星對太陽定向。在氣象衛(wèi)星“流星”號上裝有2臺穩(wěn)態(tài)等離子體電火箭發(fā)動機(jī)作衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)性修正系統(tǒng)。在電離層自動探測器“琥珀”1~1號上進(jìn)行過以氬為工質(zhì)的電子轟擊式離子電火箭發(fā)動機(jī)試驗(yàn)。 [2] 

美國已將電熱肼電火箭發(fā)動機(jī)安裝在“通訊衛(wèi)星V號”上正式作為衛(wèi)星的位置保持使用；還計(jì)劃將兩臺8厘米汞離子電火箭發(fā)動機(jī)放在的衛(wèi)星上進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。西德的電火箭研究計(jì)劃已納入歐空局的“尤里卡”計(jì)劃，他們的感應(yīng)式離子電火箭發(fā)動機(jī)RITA計(jì)劃在1990年后正式使用，截止到1990年，RITA的研究經(jīng)費(fèi)為6000萬美元；同時進(jìn)行的RIT35于1993年投入使用。日本1986年初推出以汞為工質(zhì)的5厘米和以氙為工質(zhì)的12厘米離子發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，生產(chǎn)廠“三菱電器公司”；平均功率為1kW的磁等離子體（MPD)電火箭發(fā)動機(jī)由“石川島播重工業(yè)株式會社”生產(chǎn)。日本計(jì)劃：①80年代末把平均功率為1kW的MPD電火箭發(fā)動機(jī)用于月球極軌道飛行器上；②平均功率為2.5kW、5kW的MPD電火箭發(fā)動機(jī)于90年代初在空間站上進(jìn)行試驗(yàn)；③在2000年左右用MPD電火箭發(fā)動機(jī)作空間探測器的空間主推進(jìn)火箭發(fā)動機(jī)；④以氙為工質(zhì)的12厘米離子電火箭發(fā)動機(jī)于1992年在ETS-Ⅵ衛(wèi)星上進(jìn)行試驗(yàn)；⑤以氙為工質(zhì)的離子電火箭發(fā)動機(jī)于90年代初在空間站上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我國的8厘米汞離子電火箭實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)于1986年9月通過鑒定。 [2] 

電火箭發(fā)動機(jī)與原子火箭發(fā)動機(jī)比較

電火箭及原子火箭發(fā)動機(jī)無論是在比沖、排氣速度和有效負(fù)載上都比化學(xué)火箭*得多。電火箭發(fā)動機(jī)是一種高比沖的火箭發(fā)動機(jī)。但是由于它的動力機(jī)械所占的重量很大，推力受到限制，因此它適合于作小推力的發(fā)動機(jī)。由于它可能承載比其他火箭更多的有效負(fù)載，所以電火箭發(fā)動機(jī)的實(shí)現(xiàn)，對于星際航行有很大的作用。但是我們也應(yīng)看到電火箭發(fā)動機(jī)不管從基本觀論上或是試驗(yàn)技術(shù)上，都不及原子發(fā)動機(jī)成，熟因而還需要等這些基本問題得到解決后，電火箭才能全面地實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上這里也不單是理論問題，就其實(shí)驗(yàn)設(shè)備而言，也是龐大而復(fù)雜的：因?yàn)槌怂枰幸粋€幾千以*萬千瓦的原子能發(fā)電站及其相應(yīng)的附屬和保護(hù)設(shè)備外，還需要有一套規(guī)模巨大而真空度又很高的真空系統(tǒng)，來創(chuàng)造模擬真實(shí)情況和電火箭所需要的特殊條件。因此，在基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備沒有解決以前，也難于對它展開系統(tǒng)而全面的研究。 [5] 

整體評價(jià)

編輯

電火箭發(fā)動機(jī)克服了目前化學(xué)火箭發(fā)動機(jī)的能量限制，為星際探測和長壽命衛(wèi)星提供了新的推進(jìn)手段。但它的結(jié)構(gòu)比化學(xué)火箭復(fù)雜，可靠性差，應(yīng)用還不是很廣泛，僅適用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是超大規(guī)模集成電路的使用，將會大大簡化發(fā)動機(jī)電源，提髙整個發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的可靠性。此外，太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，也將為電火箭提供足夠的能源，電火箭發(fā)動機(jī)將可望廣泛地使用在衛(wèi)星和空間站上。