灵长动物靠脚走路,软体类生物靠身体的蠕动前行,在地球上,大部分生物的一般运动都不需要借助外力,自己独立就能完成。
但在太空中,真空环境下的方向和着力点都不好掌控。在这样的情况下,人类发射的人造卫星很容易“跑偏”。所以,需要一个力控制和推动它们在拟定的轨道上正常运行。
在2020年1月,我国航天科技集团在多次实验和技术更新下,终于成功完成国内首款20千瓦大功率的“霍尔推进器”点火试验。在整个试验过程中,霍尔推进器工作参数稳定,实测推力为1N,达到国际先进水平。
嗯?1N?
没错,就是1N,刚好能吹起一张纸的推力,换算成重量单位的话,相当于两个鸡蛋。就是这样小到几乎可以忽略不计的推力发动——霍尔推进器,让世界上其他国家都为之羡慕。这是为什么呢?
力的作用
根据牛顿经典力学原理可知:力的作用是相互的。
当我们向一个物体施加力的时候,这个物体同样会回给我们相同的力,就比如赛跑时,在起点的那一脚起步,是我们给地面的一个力,然后地面反馈相同的力道到叫上,给了我们一个向前的力,就可以往前冲。而我们给的这个力越大,向前的推力也就越大;如果没有给地面力气的话,我们也同样受不到力的作用,无法前进。
同样的,火箭需要飞到太空,但周围没有其它可以借力的地方,自然也就需要飞不起来。这个时候,为了给它一个力,就要制造受力点,而这个受力点就是推力器。
火箭要飞出大气层、摆脱地球的引力,它的速度就必须很快,自然需要的力越久越大,自然需要的燃料就越多。和它做反方向作用力的推力器,是这枚火箭能不能成功升空的关键。
推进器
在早期,火箭的发动机能量来源主要是固体或者液态的化学燃料。在工作人员按下点火键后,火箭的发动机处就会喷出因为燃料燃烧而生出的大量气体,因此产生巨大推力,将火箭推离地面,送上太空。
这种方式所得到的推力相当可观,但同时,它的缺点也是显而易见的。越是庞大的推力就越需要更多的燃料,在燃烧过程中难免会对环境造成破坏;并且在前往天宫空间站的过程中,本来没有多重的火箭因为燃料装载问题而重量增加负担,就像是两个矛盾体,火箭质量和载重越重就越要多的燃料,越多的燃料也就越重。
所以科学家们一直在致力研发一种新的推进器,既能减少重量,又能节约燃料。
霍尔推进器
在官方给出的数控定义中,霍尔推进器主要依靠强磁场和电场进行力的作用。
利用离子流和磁场与电场之间形成的霍尔效应(当电流垂直外电磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流与磁场的方向会增加一个附加场,从而形成电势差),约束电极喷射电子流,让电子流在磁场中形成旋转的霍尔闭环。电子流在电磁场的作用下加速撞击并电离并产生氙气作为推进剂,从而飞行器就能获得强大的动力支撑。
这样的好处就是不用再携带太多燃料,同时也省去了进行化学反应这一环节,直接以电能喷射出的离子流获得动力,既保护了环境,又减轻了重量。
这样技术先进的霍尔推进器一经公开,就引起了世界各国航天界的关注。
科技发展
在近代历史上,航天技术方面一直是以美国和苏联两个国家为首,一直领先于世界。在这个领域内,“推进器”更是国家的一项保密类重大研究项目。
后来,美国将研发重点偏向了离子推进器的研究尝试,放松了对霍尔推进器的钻研和细抓,苏联一直潜下心来专心研发,最后领先于美国,成为世界上率先使用“霍尔推进器”的国家。
1972年,苏联的“流星1气象卫星”首次装备了霍尔推进器,在随后几十年里,苏联绝大部分的卫星都安装有霍尔推进器。如今在俄罗斯,依然也在使用第二代霍尔推进器。
之后,美国可能是看见了霍尔推进器的优势,自己前期本来也有稳固的研究基础,在90年代重新拾起了丢下的活儿,也开始继续着力研究霍尔推进器。目前,世界上正在使用的推力最大的霍尔推进器就是来源于美国。
中国的霍尔
在2020年1月,我国航天科技集团在多次实验和技术更新下,终于成功完成国内首款大功率的“霍尔推进器”点火试验。在整个试验过程中,推进器各项工作参数都很稳定,实测推力为1N,功率为20千瓦。
它的比冲高达3000秒以上,发动机的点火时间只需要持续几秒钟,就可迅达到合适的绕地速度,并且不需要定期补充原料。这有是为什么呢在没有阻力的太空,只要保证将运行卫星送入预定轨道,它就可以借助惯性自己慢慢前进,不再需要其它力的推动。
在这个新的霍尔推进器研发上,我国采用了“太阳能电池板”技术,使用“柔性太阳能翼”,利用太阳能就能满足日常用电需求,完成一切轨道推动工作。
相应的,这样的装置也会有缺点。当它距离太阳比较近的时候,还能保证照常运行,但当它和太阳之间的距离太远,就很容易失去能量来源,从而失去控制。所以,现在科学家们也正在研究将太阳能供电的方法转换为核能供电。
至少在现阶段,在遥远的“天宫”空间站里,这个推力只有1N的霍尔推进器推动的不单单是人造卫星,它还代表着中国乃至世界航天技术上的突破,能在太空中发挥更大的作用,它将代替人类,去到更遥远的星辰大海!
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