[中华军备]中国离子电推进技术的使用与发展

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导读:离子推进器 传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。离子推进器也是采用同样的喷气式原理 离子推进器想象图 ,但是它并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体,它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱,但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要离子推进器能够长期保持性能稳定,它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。 相关技术已经应用到一些太空飞船上,比如日本的“隼鸟”太空探测器和欧洲的“智能1号”太空船等,而且技术已经取得了很大的进步。未

离子推进器

[中华军备]中国离子电推进技术的使用与发展

[中华军备]中国离子电推进技术的使用与发展

传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。离子推进器也是采用同样的喷气式原理

离子推进器想象图

,但是它并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体,它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱,但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要离子推进器能够长期保持性能稳定,它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。

相关技术已经应用到一些太空飞船上,比如日本的“隼鸟”太空探测器和欧洲的“智能1号”太空船等,而且技术已经取得了很大的进步。未来最有希望成为更远外太空旅行飞船推进器的可能就是VASIMR等离子火箭。这种火箭与一般的离子推进器稍有不同。普通的离子推进器是利用强大的电磁场来加速离子体,而VASIMR等离子火箭则是利用射频发生器将离子加热到100万摄氏度。在强大的磁场中,离子以固定的频率旋转,将射频发生器调谐到这个频率,给离子注入特强的能量,并不断增加推进力。试验初步证明,如果一切顺利,VASIMR等离子火箭将能够推动载人飞船在39天内到达火星。

现状

离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流,金属高压输电网对离子流施加静电引力

离子推进器利用

,离子流获得加速度,加速后的离子使推进器获得时速高达143201千米的速度,推动航天器前进。离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机的高大约10倍。

我国发展介绍

[1]我国发射的实践9号携带的卫星上第一次使用了离子电推力技术,从此为我国的航天技术开启了一扇新的大门。此前该种技术一直被美俄等航天强国所垄断。

研制部门

研制部门是兰州空间物理研究所(510)所的科研团队。510所是国内最早开展电推进技术研究的单位,早在1974年就开始研制离子电推力系统,到了1986年研制了80毫米汞离子电推进,该成果于1987年获得了国家科技进步一等奖,在当时达到了国际领先水平,产品水平不弱于从上世纪50年代就开始从事此方面研究的美国。可这反而成了离子电推进系统由胜转衰的时候。由于当时科学技术的制约,以及美国也没有开始应用,国家相关部门决定不再从事离子电推进系统的研究。而这一放就是十年。但是510所看好这项技术在未来的发展前途,并没有解散这支科研队伍,通过自筹资金一直维持着这支科研队伍。并于1988年至1993年期间研制成功了90毫米氙离子电推进系统。

[中华军备]中国离子电推进技术的使用与发展

设备简介

[1]实践9号A星携带的离子电推进系统首次点火成功,稳定工作3分钟,随后又进行了第二次点火,稳定工作了近4分钟,实践九号A星离子电推进系统飞行试验取得了开门红。整个离子电推分系统包括1个推进剂贮存模块、1个调压模块、4个流量控制模块、4台离子电推进器以及其他附属设备,系统干重约140千克。单台离子电推进器额定推力40豪牛,比冲3000秒左右,工作寿命在10000至15000小时之间,达到了国际先进水平。

新型离子推进器

新型离子推进器研制计划是在“深空”1号探测器任务成功完成的基础上制定的。1998年美国

离子推进器

发射一个以验证先进飞行技术为目的的“深空”1号探测器。该探测器由一个直径3.048分米的离子推进器提供动力,在为期20个月的飞行任务期间,航天器达到了12711千米的时速。 “深空”1号飞行任务的成功是向大功率离子推进的广泛应用迈出的第一步。与“深空”1号离子发动机相比,NASA更高性能氙推进离子发动机可携带的有效载荷要多得多,寿命更长一些。

太空内推进计划寻求研制先进的推进技术,以便极大降低NASA的科学任务的成本、减少质量和缩短行进时间。

离子发动机

离子发动机,也就是通常所说的“电火箭”,其原理也并不复杂,推进剂被电离成粒子,在

等离子发动机

电磁场中加速,高速喷出。从发展趋势来看,美国的研究范围几乎覆盖了所有类型的电推力器,但以离子发动机的研制为主,美国航宇局在其中扮演了最活进技术应用及准备计划”。1998年10月美国航宇局发射的空间探测器“深空”1号率先实现了以离子发动机系统为主推进,这标志着电推进的应用进入了一个崭新阶段。“深空”1号在离子推进系统工作期间,其自主导航仪能够根据太阳电池阵产生电能的模型和器载设备功耗的情况,选择推力器的节流级,调节推力大小。在一般情况下,弹道机动和中途修正也由离子推进系统来执行。

欧空局已经将电推进作为未来十大尖端技术之一。法国正在研制稳态等离子体推力器,欧空局准备应用氙离子推力器。欧空局向月球发射SMART-1探测器的目的之一就是验证如何利用离子推进技术把未来的探测器送入绕水星运行的轨道。

俄罗斯的稳态等离子体推力器得到了实际应用。日本的电弧加热式推力器已在空间自由飞行器上通过在轨测试。

国际电推进研究对象还扩展到了一些采用新的工作原理的推进方案,如采用微加工工艺成型的微型离子器、采用等离子体气体聚变的推力器等。而所有这些项目大多得到了政府和大公司的资金支持。

核推进火箭

国际上核推进技术的研发也已崭露头角。核推进火箭提供的最大速度增量可达到每秒22千米

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核推进火箭想象图

,可以大大缩短探测器到达月运用核推进火箭,探测器到达土星的飞行时间只需要3年,而传统航天器则要花费7年的时间。核推进火箭非常安全而且有利于环保,这一点与人们平时的想象相反,因为发射核火箭时,放射性并不强。载有核助推器的空间探测器可作为普通化学火箭头部的有效载荷被发射出去,当有效载荷进入地球高轨道(即大约800千米以上)时,核反应堆开始工作。

制造核动力火箭发动机所需的技术并非遥不可及。美国已经设计出一种小型核动力火箭发动机,称为微型核反应堆发动机,大约还要6~7年可制造出来。美国航宇局表示,它在月球探测技术方面想做的主要是加速包括核能推进在内的新推进技术的研发工作。在美国航宇局2003财年预算草案中,有4650万美元用于核推进研究;有7900万美元用于航天器核反应堆研制。

在月球探测中,缩短到达月球的时间,使观测卫星能以较少的推进剂携带更多的观测仪器等要求,都会使电推进、核推进等高效推进技术成为最重要的技术而得以更快地发展。

发展

小型化轻便化

高效能源变换技术将朝着小型、轻便太阳电池方向发展。在传输技术方面,未来将开

小型离子推进器

发微波或激光能源传输技术,包括从月球探测器,从月球上的能源站到月球探测器等的能源传输。

由于传统控制技术越来越难以满足航天器月球探测任务多样性和姿态控制、轨道控制的高性能指标要求,先进航天国家早在20世纪80年代就着手发展航天器智能自主技术,并在自己的空间探测计划中逐渐增大了对智能自主技术的投入力度。

在轨智能自主技术

欧空局较早就展开了在轨智能自主技术的研究。美国航宇局“新盛世”计划把智能自主技术

离子推进器结构

放在首位,旨在研制自主航天器,使深的依赖。俄罗斯和日本的航天研究机构,在自主技术方面也都开展了研发工作。印度宇航界也非常重视具有自主功能的软件的开发。

先进航天国家在“战略规划→研究开发→型号应用”各个层次都非常重视探测器智能自主技术。他们往往按照“走一步、看一步、想一步”的三步曲进行发展,即利用先进成熟技术做当前之事,与此同时大力开发试验下一步先进技术,同时还要想到更远的需求以便提早作技术发展的战略规划。

缺点

它的推力很小,目前的离子推进系统只能吹得动一张纸,无法使太空船脱离地表,而且也需要很长的时间进行加速。

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[中华军备]中国离子电推进技术的使用与发展

中国卫星已用上离子电推进 即将用于小行星探测

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资料图:珠海航展上亮相的国产电火箭样机

原标题:40年磨一“箭”打破美俄技术垄断

兰州科研人员研制出国际领先航天器离子电推进系统

日前我国发射的实践9号携带的卫星上第一次使用了离子电推力技术,从此为我国的航天技术开启了一扇新的大门。此前该种技术一直被美俄等航天强国所垄断。而打破美俄技术垄断,研制出这种国际领先推力系统的正是兰州空间物理研究所(510)所的科研团队。12月26日,记者采访了该所的科研团队,了解了这种国际领先技术的诞生过程。

40年坚守电火箭技术达到国际先进水平

在不久前,实践9号A星携带的510所自主研制的离子电推进系统首次点火成功,稳定工作3分钟,随后又进行了第二次点火,稳定工作了近4分钟,实践九号A星离子电推进系统飞行试验取得了开门红。整个离子电推分系统包括1个推进剂贮存模块、1个调压模块、4个流量控制模块、4台离子电推进器以及其他附属设备,系统干重约140千克。单台离子电推进器额定推力40豪牛,比冲3000秒左右,工作寿命在10000至15000小时之间,达到了国际先进水平。这也是国内第一次在卫星上使用离子电推进系统。

可是有谁知道这次的成功让510所的科研人员整整花费了40年的时间。510所所长张伟文告诉记者:“这两次点火虽然只用了7分钟的时间,可是为了这7分钟的成功,我们却花了40年来研究。这次电火箭在实践9号上的20次点火把卫星的轨道提高了324米,让中国拥有了以往只有美国和俄罗斯等航天强国才有的技术。”据了解,510所是国内最早开展电推进技术研究的单位,早在1974年就开始研制离子电推力系统,到了1986年研制了80毫米汞离子电推进,该成果于1987年获得了国家科技进步一等奖,在当时达到了国际领先水平,产品水平不弱于从上世纪50年代就开始从事此方面研究的美国。可这反而成了离子电推进系统由胜转衰的时候。由于当时科学技术的制约,以及美国也没有开始应用,国家相关部门决定不再从事离子电推进系统的研究。而这一放就是十年。但是510所看好这项技术在未来的发展前途,并没有解散这支科研队伍,通过自筹资金一直维持着这支科研队伍。并于1988年至1993年期间研制成功了90毫米氙离子电推进系统。

张伟文说,直到1997年,美国的SPI卫星上首次应用了离子电推进系统,在世界航天界引起轰动。1999年国家相关部门开始对离子电推进器进行二次研究。这时的510所立刻投入到了研究之中,在1999年至2004年研制了200毫米离子电推进系统原理样机,主要性能达到国外同类产品水平。2004年至2007年完成了200毫米离子电推进系统工程样机研制,通过了环境条件鉴定试验。2007年至2012年为实践九号卫星研制了200毫米离子电推进子系统,该卫星已经于今年10月发射并实现首次空间飞行试验(美国做到这一点用了8年时间,而510所只花了5年),510所研制的离子电推力火箭作为这次空间试验的3个最主要的测试系统之一。此次离子电推力系统的成功应用,对我国的航天事业来说是里程碑式的。

据了解,目前国内开展离子电推进技术研究的单位包括510所、801所、502所、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、国防科大、上海交大等,其中,只有510所和801所属于工程产品研制单位,其它只进行相关技术研究,而能做出离子电推力系统的只有510所,并且突破了诸多电推进技术,其中不少技术一直被美国长期垄断。

用电取代化学燃料实现经济利益的翻番

什么是离子电推进系统?它与以往的用化学燃料的推进器有什么差别呢?510所特种推进室主任张天平研究员告诉记者,所谓的离子电推进系统就是通常所说的电火箭,属于非常规推进系统。是借助电能使工质离解成为带电粒子,再通过加速这种带电粒子流来获得推力。它的排气速度很高,每秒可达几十公里、几百公里,甚至更高。最早的离子引擎于1960年左右由NASA的研究中心制成,但之后一直处于试验阶段。直到1998年,探测彗星的深空1号才首次将离子引擎作为主力推进系统应用在深空飞行中。

传统的火箭是通过尾部喷出高速的气体实现向前推进的。离子推进器也是采用同样的喷气式原理,但是它并不是采用燃料燃烧而排出炽热的气体,它所喷出的是一束带电粒子或是离子。它所提供的推动力或许相对较弱,但关键的是这种离子推进器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要离子推进器能够长期保持性能稳定,它最终将能够把太空飞船加速到更高的速度。

电推进作为先进的空间推进技术,美国和前苏联一直都是这种先进技术的垄断者,直到近年来,相关技术才应用到一些太空飞船上,比如日本的“隼鸟”太空探测器和欧洲的“智能1号”太空船等,而且技术已经取得了很大的进步和经济效益。

510所副所长王润福说,电火箭除了定位精准之外,而且可以大大减少卫星和探测器上的化学燃料的携带量,节省下来大量空间携带更多的仪器,为国家带来更大的经济利益。“我给你举个例子,比如东方红4号卫星平台上有两个1400升的化学储剂箱,这里面的燃料主要是卫星用来变轨的。而用了离子电推进之后可以节省燃料80%以上,同时,卫星的自身重量也大大降低,现在一颗通讯卫星大概重量是4.8吨,用了这种技术自身重量就减为了1.8吨。那么空出来的空间就可以把它利用起来,比如现在星上只有56台转发器,节省下来的空间我们就可以把它增加到100台,一个转发器产生的价值大约是100万美元。也就是说以后一颗用离子电推进系统的卫星,上面的科学仪器是现在的两倍。”

未来深空探测离子电推进系统是必选项

也许有人会问,我国多少年来火箭和卫星一直动用化学燃料推进,改成离子电推进有必要吗?记者也带着这个疑问咨询了离子电推力器系统的副指挥于安民,他告诉记者,这不但完全有必要,而且我国的航天器要想在未来的太空有一席之地,在卫星上运用离子电推力器是势在必行的。

进入21世纪后,考察一个国家的航天航空能力不仅仅是能否探月、是否有空间站,而是能否开展对火星以远深空探测应用。王润福告诉记者,要想搞好深空探测,离子电推进系统是必选项。我国深空探测长远发展规划中包括了采样返回、木星探测和库伯带小行星探测任务。在现有运载条件下依靠化学能火箭,完成这些深空探测任务几乎是不可能的。首先,深空探测距离很长,因此如果用化学染料,火箭和卫星上大部份的位置将会被燃料所占据,那么相应的科学探测仪器将会减少很多,而且化学燃料成本也非常高。而在使用离子电推进系统之后,因为它的比冲是化学燃料的10倍,且需要的工作介质少,因此它能在太空无重力状态下连续工作几年时间。NASA计算过运用离子电推力的探测器到达土星的飞行时间只需要3年,而传统航天器则要花费7年的时间。少带了燃料就可以多带科学仪器,从而避免了后期再运送仪器或燃料等产生的花费。同时,用化学染料推进的航天器需要选择合适的发射窗口,而离子电推进则不需要。此外,张伟文向记者透露,510所的LIPS-200+离子电推进系统不久将应用于我国首次小行星探测航天器,完成主推进任务,我国未来的东方红3B、4号、5号、7号等通讯卫星上都将使用该推进器,2020年将要应用的空间站上也将使用4台离子电推力系统,这也是我国空间站与美俄空间站相比的创新之处。


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