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【航天小百科02】火箭发动机(下)

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上一期我们主要讲了化学能火箭发动机,液体火箭发动机固体火箭发动机两大类。本期我们走进非化学能火箭发动机——电火箭发动机。

一、电火箭

电火箭其实由来已久,早在1906年,美国工程师戈达德就提出了一种非化学能的电火箭发动机方案—电火箭。一种将电能转化为动能的发动机。60年代初美国研制出了电子轰击式离子发动机,与此同时苏联也成功研制了稳态等离子发动机。此后许多国家都展开了研究,至今已研制出了种类繁多的电火箭发动机。

电火箭具有比冲高(单位质量推进剂所产生的冲量,单位一般选用S)、推力小(大有大的用途,小有小的好处)、可重复启动、质量轻寿命长,所以一般用在航天器姿态控制、轨道转移、轨道修正、宇宙探测和星际航行中。

我们按电火箭发动机最基本的特征将其划分为两大类,一类是电热式火箭发动机,另一类是电离式火箭发动机。

电热式火箭发动机:我们首先来讲下这个基本原理,所谓电热式,就是指靠通电产生高温加热推进剂(工质,如肼、氨、氢等),加热后的高温气体从喷口喷出产生推力。电热加热式主要有两种即电阻加热式、电弧加热式。

以肼为为工质的电阻加热式发动机比冲为300s,而以肼电弧加热的发动机比冲可高达600s。差不多是肼电阻式的两倍,但是缺点是效率低,电极易被烧蚀。

图片来自参考文献[1]

电离式火箭:电离式火箭,顾名思义我们可以知道其原理就是利用电离,使得气体电离为等离子体,再利用电场或者磁场等作用使得等离子体高速喷出,以产生推力。电离式又可以分为离子发动机、霍尔发动机、磁等离子体发动机。

电子轰击式离子发动机,就是利用电磁场作用使得电子与推进剂气体分子碰撞,气体电离成等离子体,离子在静电场加速下喷射产生推力,因为离子的质量相当小,所以推力会很小,但是离子发动机的比冲都比较高。

电子轰击式发动机原理图[1]

稳态等离子体发动机(霍尔推进器),还是利用电子(在轴向电场和径向磁场的相互作用下)去与推进剂分子发生碰撞电离出等离子体。磁场产生的电场再将带电离子进行加速,形成等离子体射流,以此推动飞船前进。稳态等离子体发动机是应用最多的离子发动机,90年代初美国就从俄罗斯引进了该型发动机,中国是也在1994年就开展了研究。

霍尔推进器原理图[1]

霍尔推进器

由于电火箭技术是一种综合性技术,涉及热力学、电磁理论、电化学、等离子体物理学等学科,且电火箭种类很多,本期只作简单介绍,以下给出一个分类表。

图片来自参考文献[1].作者马占华等

二、电动火箭与Rocket Lab(小记)

这个电动火箭我们看着是不是会有点懵,多了个“动”字,有什么区别吗?区别就在于这个动是带动,而不是直接“推动”。究其本质来讲电动火箭还是液体火箭,其发动机是采用电机驱动涡轮泵的液体火箭发动机

有很多事都是可能的,往往只有执着勇敢的先驱们敢于去实践他们自己的想法。这个领域的先驱就是火箭实验室公司(Rocket Lab),Rocket Lab成立于2006年,创始人兼首席执行官为彼得·贝克,总部设在美国加利福尼亚州,并在新西兰拥有一个子公司和发射场。

北京时间01月21日09时43分,Electron火箭以一箭三星的方式成功将一颗Dove卫星和两颗Lemur-2卫星送入预定轨道,这是该火箭的第二次发射,代号“STILL TESTING”。Rocket Lab并没有选择与传统大、中型运载火箭在商业发射市场竞争,而是另辟蹊径,专注于微纳卫星的细分市场,走出了一条适合自己的发展道路!

以上就是本期的全部内容,关于“电动火箭”,我们下期再做详细介绍,敬请继续关注阅读!

参考文献:

电火箭的研究现状与应用分析. 作者马占华, 汪南豪.

【作者:空天动力】

空天知识局

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