電推進：在太空中「出軌」的高級姿勢

撰文：蘇宏博、昝浩、王聰、夏國俊

責編：寒凌旭

審校：鄭永春

提起出軌，你可能想到了這個：

（圖片來源於網路）

也可能想到了這個：

（圖片來源於網路）

但這些都太low了。

同學，請端正坐好，我給你講講如何在太空中優雅地出軌 。

太空飛行器處於真空中，出軌，或者說改變運行軌跡，只能通過噴射內置燃料，利用反作用力來推進飛行器運動。

所以太空出軌的一般姿勢，就是利用成熟的化學推進，需要時噴一噴。

那麼問題來了，既然有這麼成熟的技術，為何還要研究其他的方式？

這就要說說化學推進的缺點了。

首先，化學推進需要攜帶巨量的燃料，重量可達數噸，可以說飛行器內部大部分都是這些燃料，多麼的浪費重量！要知道我們的飛行器上天是為了運送有效載荷的，可不是為了運這一大堆燃料的。

（圖片來源：內部資料）

其次，內置燃料噴不了多長時間，那麼噴完後呢？去加油站加個油？可你見過太空加油站么！

那腫么辦？沒辦法，燃料耗盡，在地球引力作用下，飛行器運行軌道會以每天 100米左右的速度下降，最終墜落大氣層。

可惜的是，壽終正寢之時，飛行器的其他功能往往還相當好……

（圖片來源於網路）

命運就是這麼殘酷，然而航天人從來不向命運屈服。在一代代航天人的努力下，創造了優雅且高級的出軌姿勢：電推進系統。

電推進系統是指利用電能加熱、離解和加速工質形成高速射流而產生推力的技術。比起化學推進系統，電推進系統的優勢在於比沖高、壽命長、結構緊湊、體積小和污染輕。聽說以前需要帶好幾噸燃料？現在只需幾百公斤！

那麼空出來的地方放點啥呢？有效載荷唄！現在的一顆頂原來的兩顆！

（圖片來源：內部資料）

聽說以前燃料耗盡了飛行器就壽終正寢了？現在的壽命是十年起步！

（圖片來源於網路）

下面說說電推進的最新消息：

電推進分多種類型，幾十年來這個領域是美俄的天下，1971年前蘇聯SPT霍爾推力器首次應用到航天飛行器上，其發明人為Morozov教授。

（圖片來源：內部資料）

但就在剛剛過去的11月份，國產的且是世界最先進的電推進系統--新一代磁聚焦型霍爾推力器HEP-100MF隨著長征五號火箭上天了，裝備在隨箭發射的衛星上，並成功點火運行。

這個國產出軌神器是由哈工大能源學院於達仁教授團隊、材料學院特種陶瓷研究所和航天五院502所聯合研製，世界範圍內首次在衛星上驗證。

為什麼說是最先進的？什麼是磁聚焦呢？

先看看舊款的霍爾推力器工作時是怎樣的：

（圖片來源：內部資料）

注意看，發光的部分即噴出的離子，它們的羽流發散角很大，這會導致比沖的減小，同時也會導致一些離子並沒有噴出去，而是作用到推力器的內壁面上，要知道這種轟擊對推力器是很致命的，嚴重降低了壽命。而電推進的一大特色便是長壽命，因此需要改進。

怎麼改進呢？Morozov教授（下圖右一）認為，通過創造出合適的磁場位形，就能實現離子能從霍爾推力器通道中平直地噴出，稱之為磁聚焦。焦是好焦，可不太好聚，裡面隱藏了太多的科學理論和工程技術問題。

Morozov教授試驗結果時好時差，一直無法達到工程實用效果。

（圖片來源：內部資料）

接力棒傳到於達仁教授（上圖左一）手中後，於教授帶領團隊從零做起，歷時十四年，終於把羽流能穩定可靠地壓縮形成類似圓柱的狀態，並與合作團隊推出了新款霍爾推力器。

此處本來應該展示新款霍爾推力器的實際運行圖，但由於美國一直虎視眈眈想竊密，所以只能借用一張離子推力器的圖說明效果。

離子推力器典型羽流發散角為15°，與新款磁聚焦型霍爾推力器相當。

（圖片來源於網路）

後面的故事大家都知道了，新款產品上天了，點火成功了，Morozov教授等人的心愿了了。

此處向Morozov、Bugrova等教授致敬三秒。

如果你想了解出軌，哦不，太空中優雅出軌的更多細節，且聽下回分解。

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