學術縱論：電子帆推進原理驗證

學術縱論是未來空天公眾號最新推出的欄目，旨在推送航空航天或相近領域的最新學術成果，啟發研究人員的新思想。

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論文信息

本期推薦的論文是來自arXiv，該論文是一篇會議論文，Space Propulsion 2016 (Rome, 2-6 May 2016) 。

標題：CubeSat testing of Coulomb drag propulsion

作者：Pekka Janhunen, Jouni Envall, Petri Toivanen, Timo Rauhala, Edward Haeggstr?m, Tor-Arne Gr?nland

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論文簡介

庫侖阻力推進是將極長極薄的帶電的裸電線放置在天然等離子體流（太陽風）中，通過電場實現電線周圍離子的庫侖偏轉，從而實現動量的獲取。

庫侖阻力推進這一概念最早是本文作者於2004年提出，並形成了電子太陽風帆（E-Sail）的概念。

電子太陽風帆具有如下優點：

1、質量輕，每千米導線僅需要10g左右，而產生的推力可達約0.5 mN。

2、推進衰減慢，其推力衰減比例約為1/r（r為電子帆離太陽的距離），雖然太陽風的動壓是按照1/r^2的比例衰減，但是電子太陽風帆的影響距離（等離子體的偶極矩）確按照r的比例增長的，綜合起立其推力是按照1/r衰減。

3、推力大小容易調整，可以通過調節導線的充電電壓來調整推力。

在近地軌道，通過在導線上施加負電壓就可以實現庫侖阻力推進的反向效果——等離子體制動。下圖就是等離子體制動的基本原理示意圖。

論文對庫侖阻力的物理過程進行了相關的公式推導並開展了等離子體剎車時粒子模擬模擬。

為了驗證該想法，作者於2013-2015年發射了一顆ESTCube衛星，這是一顆1U的立方星，可惜該任務由於超聲波電機失效導致導線無法展開，最終沒有完成實驗驗證。

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論文展望

論文中說Aalto-1衛星將於2016年5月搭載SpaceX的獵鷹9號火箭發射升空，但是維基百科上給出的發射時間是2017年6月，其搭乘的火箭也改為印度的PSLV-XL。縱觀整個歷程，2004年作者首次提出了電子帆的概念，到2013年發射ESTCube衛星來驗證其想法，可以驗證實驗沒有完成，到如今13年過去了，希望這次Aalto-1衛星能順利發射並圓滿完成驗證實驗。航天任務中一個創新的的想法提出來不容易，而將這個新想法進行太空實驗驗證也無比艱難，而最終將新的想法變成實用的航天新技術更是還有非常長的路要走。本文提出的電子帆推進的技術是人類實現星際航行的一個非常好的手段，然而真正利用該原理造出太空飛船還需要不懈的努力。

https://arxiv.org/pdf/1604.08414

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