• 離子推力器

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    離子推力器

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    離子推進器、離子驅動器或離子發動機是一種用于航天器推進的電力推進形式。它通過使用電力加速離子來產生推力。

    離子推力器通過從原子中提取一些電子,使中性氣體電離,形成正離子云。

    離子推力器可分為靜電式和電磁式。

    靜電推力器的離子在庫侖力的作用下沿電場方向加速。暫時儲存的電子在通過靜電網后被中和器重新注入離子云中,因此氣體再次變成中性,并能在空間自由散開,不再與推進器發生任何電互動。

    相比之下,電磁推進器的離子被洛倫茲力加速,使所有物種(自由電子以及正負離子)在同一方向上加速,無論其電荷量如何,并被特指為等離子體推進引擎,電場不在加速方向上。

    離子推力器在運行中通常消耗1-7千瓦的功率,排氣速度約為20-50公里/秒(Isp 2000-5000秒),擁有25-250毫牛的推力和65-80%的推進效率,盡管實驗版本已經達到100千瓦(130馬力),5牛(1.1磅)。

    深空1號航天器由一個離子推進器提供動力,在消耗不到74公斤(163磅)氙氣的情況下改變了速度4.3公里/秒(2.7英里/秒)。黎明號航天器打破了這一記錄,速度變化為11.5公里/秒(7.1英里/秒),盡管它的效率只有一半,需要425公斤(937磅)的氙氣。

    應用包括控制軌道衛星的方向和位置(一些衛星有幾十個低功率的離子推進器),以及用作低質量機器人空間飛行器(如深空1號和黎明號)的主要推進引擎。

    離子推力發動機只在太空真空中實用,不能使飛行器穿過大氣層,因為離子發動機在發動機外有離子的情況下不工作;此外,發動機的微小推力不能克服任何明顯的空氣阻力。離子發動機不能產生足夠的推力,以實現從任何有明顯表面重力的天體的初始升空。由于這些原因,航天器必須依靠其他方法,如傳統的化學火箭或非火箭發射技術來達到其初始軌道。

    起源

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    xxx個公開寫論文介紹這一想法的人是康斯坦丁-齊奧爾科夫斯基在1911年。該技術被推薦用于高空的近真空條件,但在大氣壓力下用電離氣流證明了推力。這個想法再次出現在Hermann Oberth的Wege zur Raumschiffahrt(太空飛行之路)中,該書于1929年出版,他解釋了他對電力推進的質量節約的想法,預測了其在航天器推進和姿態控制中的應用,并提倡帶電氣體的靜電加速。

    1959年,哈羅德-R-考夫曼在美國宇航局格倫研究中心的設施中建造了一個工作離子推進器。它類似于一個網格化的靜電離子推進器,使用汞作為推進劑。在20世紀60年代進行了亞軌道測試,在1964年,該發動機被送上了空間電動火箭測試-1(SERT-1)的亞軌道飛行。它成功地運行了計劃中的31分鐘,然后墜落到地球。這次試驗之后,在1970年又進行了一次軌道試驗,即SERT-2。

    在20世紀50年代和60年代,美國和蘇聯獨立研究了另一種形式的電力推進,霍爾效應推進器。霍爾效應推進器從1972年開始在蘇聯衛星上運行,直到20世紀90年代末,主要用于衛星南北方向和東西方向的穩定。大約有100-200臺發動機在蘇聯和俄羅斯的衛星上完成了任務。1992年,在彈道導彈防御組織的支持下,一個電力推進專家小組參觀了蘇聯的實驗室后,蘇聯的推進器設計被引入西方。

    離子推力器

    一般工作原理

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    離子推力器使用離子束(帶電的原子或分子),按照動量守恒原則產生推力。加速離子的方法各不相同,但所有設計都利用了離子的電荷/質量比。這個比率意味著相對較小的電位差可以產生較高的排氣速度。這減少了所需的反應質量或推進劑的數量,但與化學火箭相比,增加了所需的比功率。因此,離子推力器能夠實現高比沖。低推力的缺點是加速度低,因為電動力裝置的質量與功率的大小直接相關。這種低推力使離子推力器不適合發射航天器進入軌道,但對較長周期的空間推力卻很有效。

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    1. 離子推力器
    2. 起源
    3. 一般工作原理

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