吸气式电推进首次点火成功

原创：牧夫天文

翻译：陈杰

校译：徐鹏晖

编排：葛明红

原文链接：

https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/World-first_firing_of_air-breathing_electric_thruster

欧空局领导的团队于2018年3月完成了吸气式电推进的研制工作，并成功完成了该类推力器世界首次点火。这种电推进装置摄取大气层边缘稀薄大气中的分子作为推力器的工质。实验的成功意味着，卫星在超低轨道持续运行数年成为可能。

欧空局用于重力场测量的GOCE卫星， 采用了电推进装置来持续补偿空气阻力，因而能够在250km的低轨上运行四年时间。然而，GOCE卫星的寿命受限于它携带的作为工质的40kg氙气，当氙气使用完以后卫星的任务也就结束了。

与卫星自身携带工质不同，使用大气层中的中性分子作为工质，能够创造出一类能够在超低轨道上长时间运行的新型卫星。

吸气式空间任务示意图

吸气式电推进装置不仅能够在地球轨道上使用，也能应用于其它星球的大气层边缘。例如，在火星上可以使用火星大气层中的二氧化碳作为工质。

欧空局的Louis Walpot说道：“这个计划的创新设计在于，它能够在约200km高度的地球大气层边缘，以7.8km/s的速度收集空气中的分子作为推力器的工质”。

实验设备

意大利的Sitael公司研制了用于测试这个概念的完整推力器，并且在该公司一个能够模拟200km高度真空环境的真空舱中进行了实验。

试验中还使用了一台粒子流产生装置，用来模拟高速来流分子。这些分子会被吸气式电推进的新型进气道和推力器捕获。

推力器上没用活动的和复杂的部件，每个部分都依据简单的原理运行着。该推力器所需要的仅仅是产生磁场的线圈和推力器电极所需要的电能，这些能量用来产生极其强劲的阻力补偿体系。

吸气式电推进装置原理图

这项技术的挑战在于，要设计一种新型的进气道。它能够收集空气中的分子并将其压缩，而不是简单的将空气中的分子弹开。

推力器的进气道由波兰的QuinteScience公司设计，由进气道收集的原子被电离，使得它们能够被电场加速喷出，从而产生推力。

置于真空舱内的推力器

而Sitael公司设计的双级推力器相比于传统电推进设计，能够确保来流空气能够更好地被电离和加速。

Louis补充道：“团队利用计算机模拟了使用不同进气道时，推力器中粒子的运动情况。但是，只有实际的测试才能让我们了解进气道和推力器结合在一起后能不能正常工作。”

试验中，工作人员没有通过测量进气道出口粒子密度来检验进气道的设计，而是将进气道与推力器连接，以验证进气道确实能够收集空气分子，并将其压缩到能够使推力器正常点火的程度。实验中还测量了推力器产生的推力。

以氙气为工质时推力器工作图

首先，该实验团队验证了推力器在以氙气为工质的情况下，能够收集粒子束产生器提供的氙气，并重复点火。

Louis解释道：“接下来，我们将部分氙气工质替换成氮氧混合气体。当推力器的羽流从纯氙气时的蓝色变为粉红色时，就证明我们成功了。”

最后，这套推进系统在以空气为工质的情况下成功的重复点火，证明了这种推进方法的可行性。

以空气为工质时推力器工作图

实验结果意味着吸气式电推进不再只是一种理论，而是切实可行的、将会被发展的可以工作的推力器。这将会被用作未来新型任务的动力基础。

该计划在欧空局地球观测计划的支持下，得到了欧空局技术研究计划的赞助，旨在开发有空间应用前景的新思路。

『天文时刻』 牧夫出品

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图源：NASA, ESA, Hubble, Subaru Telescope, W. Cramer (Yale) et al., M. Yagi, J. DePasquale