NASA格倫研究中心太陽能電力推進項目

新聞 09-25

原標題：NASA格倫研究中心太陽能電力推進項目

作者：太陽谷來源：高端裝備發展研究中心

長期以來NASA都在尋求一種經濟高效的太空動力系統，以應用於其登陸月球和火星的任務，並且NASA在不斷探索新的方法，以縮短這些變革性技術的研發周期，以便可以在短時間內提高美國的太空實力，支持各種商業航天活動來保證NASA的資金運轉。太陽能電力推進（SEP）項目就是其中之一。該項目由NASA太空技術任務理事會（STMD）贊助，由美國宇航局格倫研究中心管理。

NASA的太陽能電力推進項目正在開發一些關鍵技術，以擴展其雄心勃勃的新科學項目和探索任務的距離和能力。通過星載太陽能電池陣列的電力供應，電動推進系統只需要使用比傳統化學推進系統少10倍的推進劑，減少燃料質量將能為飛行器提供強大的動力，能夠推動飛行器和載人飛行任務遠遠超出低地球軌道——將深空探測航天器送往遙遠的目的地，或者將貨物運送到目的地星球及從目的地運回貨物，為新的深空探索任務或重新補給已經開展的探索任務奠定基礎。

大功率SEP的任務需要該項目開發一系列先進技術，包括大型輕型太陽能電池陣列、磁屏蔽離子推進推進器、以及高壓電源處理單元。

NASA位於克利夫蘭的格倫研究中心負責太陽能電力推進項目，並正準備進行系統級飛行演示。

太陽能電池陣列

SEP項目需要開發大型、靈活、抗輻射的太陽能電池陣列，在這之前，NASA準備先開發一些小巧、輕便、具有成本效益的設計方案。

MegaFlex太陽能電池陣列

SEP項目與軌道ATK航空航天部（現已被諾斯羅普格魯門公司收購）和可部署空間系統公司合作，建造並測試了兩種太陽能電池陣列設計：一種可以像風扇一樣摺疊（ATK MegaFlex），另一種可以像窗帘一樣展開（DSS ROSA）。兩者都採用輕質結構和柔韌的毛毯材質技術，以保證其足夠耐用，可在地球軌道上長時間運行或穿過惡劣的空間環境，例如范艾倫輻射帶。

太陽能陣列ROSA

兩個陣列均實現了所有最先進的相關指標，包括四倍的輻射容限，1.7倍於單位質量的功率（kW/kg），四倍於存儲體積效率和二十倍以上的展開強度。該太陽能電池陣列技術此後的商業用途包括搭載Megaflex的天鵝號貨運飛船前往國際空間站。太空系統Loral和Deployable Space Systems符合12.5千瓦的ROSA標準，因此ROSA可以用於Loral等商業衛星。一個最近在國際空間站進行的ROSA飛行試驗成功完成其科學目標，首次驗證了ROSA的在軌測量結構動力學和發電性能。

霍爾推進器

SEP項目將使用帶有先進磁屏蔽的靜電霍爾推進器（Hall Thrusters），而不是使用傳統化學推進劑的火箭發動機。在SEP中，大型太陽能電池陣列將收集的太陽能轉換為電能，這種能量被輸送到這種特別節能的推進器中，在整個任務期間提供溫和但不間斷的推力。

太陽能電動推進發動機的霍爾推進器

霍爾推進器將電子在磁場中捕獲並利用它們將機載推進劑（一般為惰性氣體氙）電離成等離子體的尾氣羽流，從而加速航天器的前進。實際應用時可以組合幾個霍爾推進器來增加SEP航天器的功率。這種系統可將氙離子加速到65000英里/小時以上，並在一段時間內提供足夠的力來移動貨物並進行軌道轉移。

測試中的霍爾推進器

在2015年，NASA研究人員成功測試了一個新的12.5千瓦霍爾推進器，該推進器採用磁屏蔽，使其能夠連續運行多年，這一性能對於深空探測任務非常重要。

網格式離子推進器（NEXT-C）

NASA的進化氙氣推進器（NEXT）是一種網格式離子推進器。在離子推進器中，離子通過靜電力加速。用於加速的電場由位於推進器下游端的電極產生。每組電極，稱為離子光學器件或網格，包含數千個同軸孔徑。每組孔都用作透鏡，通過光學器件將離子電聚焦。

NEXT-C

NASA的離子推進器使用雙電極系統，其中上游電極（稱為屏柵）充電為高電位，下游電極（稱為加速柵）充電為低電位。由於離子是在高正區域產生的，加速器網格的電位是負的，離子被吸引向加速器柵格並通過孔聚焦在放電室外，產生數千個離子射流，所有離子射流聚集在一起形成離子束。推力是上遊離子和加速器格柵之間產生的力。光束中離子的排氣速度基於施加到光學器件的電壓。

正在進行調試的NEXT-C

化學火箭的最高速度受到火箭噴嘴的熱能力的限制，但離子推進器的最高速度只受到施加到離子光學器件的電壓的限制（理論上無限制）。光束中離子的排氣速度基於施加到光學器件的電壓。雖然化學火箭的最高速度受到火箭噴嘴的熱能力的限制，但離子推進器的最高速度受到施加到離子光學器件的電壓的限制（理論上無限制）。光束中離子的排氣速度基於施加到光學器件的電壓。雖然化學火箭的最高速度受到火箭噴嘴的熱能力的限制，但離子推進器的最高速度受到施加到離子光學器件的電壓的限制（理論上無限制）。

預計NEXT的強度是Dawn和Deep Space 1太空船上使用的NSTAR的三倍。與Discovery，New Frontiers，Mars Exploration和旗艦外行星探測任務的化學和其他電力推進技術相比，NEXT提供更大的交付有效載荷，更小的運載火箭尺寸和其他任務增強。格倫研究中心製造了測試引擎的核心電離室，Aerojet Rocketdyne設計並製造了離子加速組件。前兩個航班將於2019年初上市。

使用NEXT-C動力前往火星的假想圖

對商業航天工業的好處

通過使用SEP，地球靜止通信衛星（geocomsats）每年平均可以產生5000萬至1.5億美元的收入，其運行壽命將從7-8年提高到12-15年。商用航天器通過使用30-50kW級SEP將變得更輕，Falcon 9運載火箭甚至可以同時發射兩枚這種衛星。隨著高功率SEP的引入，當更高功率的太陽能電池陣列和電力推進系統可用時，衛星製造商在其整個航天器隊中採用這種動力的幾率越來越大。這是因為60％的大型通訊衛星的總質量通常與用於從地球靜止轉移軌道（GTO）到地球靜止軌道（GEO）轉移的雙推進劑化學推進系統有關，即使是目前最大的商用航天器，使用SEP也可以獲得30-50kW的機載功率，足以實現合理的GTO-GEO行程時間，因此可以實現額外的可創收有效載荷，以滿足日益增長的衛星電視需求（目前衛星電視占所有衛星服務收入的比例超過90%）。