大名鼎鼎的Space X公司，航天發(fā)射領(lǐng)域的攪局者，又要來“顛覆”業(yè)界規(guī)則了。他們前段時間推出了一種已經(jīng)實用化的電推系統(tǒng)，一下子把原本昂貴的電推工質(zhì)氙和氪打下神壇。
(相關(guān)資料圖)
（氬電推系統(tǒng)工作時的情景，仿佛帶光源的音響）
2月28日，美國Space X公司發(fā)射了新一批星鏈衛(wèi)星，也就是星鏈衛(wèi)星V2 MINI。星鏈衛(wèi)星V2 MINI最大特點就是采用了氬電推系統(tǒng)，整體性能比前一代星鏈衛(wèi)星有明顯提高。
按照SPACEX公司提供的信息，每顆衛(wèi)星安裝的氬電推進器重2.1千克，推力170毫牛，比沖2500秒，功率為4.2kW，總效率達到了50%。這組數(shù)字其實并不算多驚人，很多電推進器都有更好的數(shù)據(jù)。
（英國應用融合系統(tǒng)公司2020年測試的氬電推進器）
不過氬電推進器的優(yōu)勢不在于性能，與現(xiàn)有的氙或者氪推進器相比，氬電推進器最大優(yōu)點就是成本極低。氙電推使用的高純度氙氣，1公斤價格高達上萬元，而1公斤高純度氬氣卻只要幾塊錢，差了幾千倍的價格，讓氬電推進器的運用門檻一下子降了下來。這樣氬電推進器就可以裝上星鏈這類低成本的小衛(wèi)星，也為星鏈的大規(guī)模布置和運用打下了堅實的基礎(chǔ)。
（等待發(fā)射升空的星鏈V2mini衛(wèi)星）
所謂氬電推進器正確的說法應該是采用氬為工質(zhì)的霍爾推進器，而霍爾推進器又是電推進器的一種。電推進器是以電能作為能量，讓工質(zhì)離子化，然后在電場之中加速，形成離子流，離子流高速沖出發(fā)動機，從而讓航天器獲得動力。
（NASA為深空 1 號航天器開發(fā)的2.3 kW NSTAR霍爾推進器）
電推進系統(tǒng)與傳統(tǒng)化學能推進相比，能量密度更高，比更大，結(jié)構(gòu)也更加簡單。傳統(tǒng)化學能推進例如火箭發(fā)動機比沖只有2-5千米/秒,這樣就導致它的能量密度低，載荷系數(shù)小。1枚起飛重量上百噸的運載火箭，載荷只有12噸。
電推比沖可以超過10千米/秒，甚至達到100千米/秒，這樣航天器采用電推進系統(tǒng)，速度更快，運載能力更強。另外電推系統(tǒng)沒有復雜的道路和控制系統(tǒng)，還能騰出寶貴的內(nèi)部空間，用來安裝其他系統(tǒng)和設(shè)備。
不過現(xiàn)在電推系統(tǒng)最大的問題還是電源及能量轉(zhuǎn)換問題。這個問題導致電推系統(tǒng)推力非常小，現(xiàn)在電推系統(tǒng)推力單位以牛甚至毫牛來計算，有人戲稱在地球上這個力只能推動一張紙而已。不過在太空之中，沒有空氣，因此不存在空氣阻力，這樣的推力已經(jīng)能夠推動航天器進行運動。
（霍爾推進去原理圖）
由于電推系統(tǒng)空間小、能量密度大，因此它在人造衛(wèi)星、深空探測器上面運用比較廣泛。許多航天器已經(jīng)安裝了電推系統(tǒng)用于飛行動力、軌道保持等用途。進入新世紀，微小衛(wèi)星異軍突起，例如星鏈，這些衛(wèi)星大多工作在近地軌道。
盡管這里空氣非常稀薄，但是還有一定的阻力存在，微小衛(wèi)星還是需要定期開啟發(fā)動機，保持軌道穩(wěn)定。但是微小衛(wèi)星空間小，載荷低，安裝傳統(tǒng)火箭發(fā)動機困難較大，這樣電推系統(tǒng)就成為它們的首選，所以我們看到星鏈衛(wèi)星就采用了電推系統(tǒng)。
（星鏈2衛(wèi)星已經(jīng)安裝了霍爾推進器）
前面說過電推系統(tǒng)采用氣體作業(yè)工質(zhì)獲取前進能量，現(xiàn)在電推系統(tǒng)普遍采用的工質(zhì)是氙氣，主要原因是氙氣容量被電離，化學性質(zhì)穩(wěn)定，因此用于電推工質(zhì)的話，推進效率高。不過它的缺點也非常明顯，那就是氙氣太昂貴，大氣之中氙氣含量極低，每立米空氣大約只有0.09毫升氙氣，提純氙氣異常困難，這樣就導致它的成本和價格居高不下。
為了降低成本，有些電推系統(tǒng)用氪氣替代氙氣，每立方米空氣之中大約有1.5毫升氪氣，因此它的價格比氙氣要便宜一些，不過對于大量應用的衛(wèi)星來說，還是太高。
（四種惰性氣體作為推進劑）
此次SPACEX公司首次將氬氣作為電推系統(tǒng)工質(zhì)。氬氣是我們非常熟悉的一種稀有氣體，電焊就用它作為保護氣體。氬氣在大氣之中含量達到1%，獲得非常容易，直接從空氣中提純，所以它的成本和價格非常低。如果用來做電推工質(zhì)能夠有效降低制造和使用成本，不過氬氣電離效率較低，從而推進效率不如氙，因此Space X公司此次可以看作性能向成本作出的妥協(xié)。
（三種國產(chǎn)霍爾推進器）
中國相關(guān)單位從上世紀60年代就開始空間電推系統(tǒng)研究，70年代實現(xiàn)技術(shù)突破，完成空間電推系統(tǒng)樣機，90年代開始著手在航天器上面應用電推系統(tǒng)。2012年國產(chǎn)實踐-9衛(wèi)星配備國產(chǎn)HET-40霍爾電推系統(tǒng)發(fā)射升空，成功進行了在軌電推測試，圓滿完成了各項試驗任務，標志著中國已經(jīng)掌握空間電推系統(tǒng)技術(shù)。
（國產(chǎn)HET-450空間霍爾電推系統(tǒng)）
現(xiàn)在中國航天器已經(jīng)廣泛應用電推系統(tǒng)，例如中國太空站就配備有4臺國產(chǎn)HET-80空間霍爾電推系統(tǒng)。2022年中國大功率空間霍爾推進系統(tǒng)取得技術(shù)突破，國產(chǎn)HET-450空間霍爾推進器在地面試驗之中推力達到4.5牛，功率超過100KW。另外它也在降低工作和價格方面進行了嘗試，也可以使用氪氣作為工質(zhì)。
（天和核心艙HET-80霍爾電推）
隨著國產(chǎn)微小型衛(wèi)星發(fā)展，特別是我們也要建立星鏈這樣的微小型衛(wèi)星星座，因此相關(guān)單位應該也在探索降低進一步電推成本和價格，因此未為國產(chǎn)電推系統(tǒng)可能也會采用氬氣作為工質(zhì)。
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