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流浪地球裏的那種推進器 中國獲可載入史冊的大突破

http://dailynews.sina.com   2020年01月19日 16:07   環球時報

  “人類目前噴得最快的燃料組合,是液氫和液氧,噴射速度可以達到每秒3500米左右。要突破這個極限瓶頸,需要靠霍爾效應電推力器,這種設備的噴射速度可達每秒10000米以上,最高可以達到每秒80000米。”

  《環球時報》前幾天用《大突破!贊就完事了》這個標題,來報道中國航天1牛頓霍爾效應電推力器點火成功的消息。

  這個事兒,很多網友在評論區表示不明覺厲,我們今天就詳細解釋一下,讓大家能贊得踏實,再贊個通透。

  霍爾效應電推力器本質上也是一種火箭發動機,屬於電火箭發動機的範疇。

  流浪地球裏的行星發動機

  火箭機推進最重要的指標是什麼?是一種叫比衝的玩意兒。我們知道,在中學物理當中有叫做動量守恆的概念,對於火箭來說,往後噴出去多少動量,自己就得到了多少動量。這就是火箭推進的基本原理,偉大的齊奧爾科夫斯基公式就是這麼來的。動量的計算方法是質量乘以速度。也就是說,火箭噴出去的物質乘以噴射速度就是動量。火箭要是想飛得快,有兩個辦法,一個是多噴點東西,二個是噴快一點。顯然,噴快一點的選擇比較理想。因此,人們建立了一個叫做比衝的概念,也就是說,把一千克的推進劑變成燃氣噴出去,能產生多少衝量——中學物理還說了,衝量等於動量。喜愛物理的人們一算就會發現,比衝的單位和速度不是一樣的嗎?沒錯,比衝乘以重力加速度就等於火箭噴氣的流動速度。

  那麼問題就容易解決了,要想火箭飛得快,就得能噴,使勁噴!

  人類噴了幾十年,終於無奈地發現一件事,噴得最快的燃料組合,也不過就是液氫和液氧,噴射速度可以達到每秒3500米左右。看起來這個數字很不錯,但是考慮到火箭自己還有龐大的金屬結構、電子系統、要運載的衛星……如果是載人飛行,還要加上人的肉身和呼吸用的空氣,維持生命用的飲水、食物,3500這個數字太可憐了。

  如果我們要帶着地球流浪到比鄰星去,液氫液氧是一點可能性都沒有的。大家等死吧。

  然而,電火箭發動機或許可以做到。用電場和磁場把離子和電子加快到極高的速度,從噴管噴射出去。雖然這些微觀粒子的質量很小,但速度極快,同樣可以實現很高的比衝。

  美國研製的離子推力器

  我們現在最常討論的是所謂霍爾效應電推力器和離子推力器。所謂霍爾效應,是1879年美國物理學家霍爾在研究半導體的時候發現的。閒話少說,它的噴射速度有多少呢?可以達到每秒10000米以上,最高可以達到每秒80000米!離子推力器的比衝同樣是這個規模,而且這種技術就是齊奧爾科夫斯基本人提出的。用這樣幾十倍於液氫液氧的噴射速度,把地球推走,還是有希望的。

  然而電火箭發動機現在的最大問題,就是推力不足。無論霍爾推力器還是離子推力器,眼下都只有“推動一張紙”的能力。絕大多數電火箭發動機的推力,都只能用毫牛頓來衡量。

  日本隼鳥2號小行星探測器如今正在向地球返航。它的離子推力器號稱當今世界上最先進的型號之一,那麼推力有多少呢?只有29.56毫牛。美國波音公司用在702衛星平臺上的離子推力器更強大一些,推力達到了165毫牛之多!

  俄羅斯更喜歡搞霍爾推力器,他們出口的SPT-100推力器是國際宇航市場上的搶手貨。它的推力高達83毫牛,真是了不起。

  SPT-100推力器

  嗯!等一下,我們不是在討論一種一牛頓的發動機嗎?那不就是1000毫牛嗎?

  電火箭發動機和新能源汽車一樣,都要面對電動力系統的普遍性問題,那就是能量密度低。要達到同樣的功率,化學燃燒所需要的設備質量和體積,要比電力系統少得多。我們用一個小小的打火機就能發出明火,要是用電力實現同樣大小的火焰,需要的發電、輸電、用電設備比打火機龐大多了。電火箭發動機面臨的問題也一樣。數十年來,科學家和工程師們致力於縮小用電設備體積和重量,用盡量小、儘量輕的推力器實現儘量高的推力。而一牛頓是個決定性的里程碑,意味着中國可以製造飛行速度更快、航程更遠的星際飛行器。我們很難說這是萬里長征的第幾步,但把它寫進共和國乃至人類文明的史冊裏,是完全有必要的。

  這裏還有一件事情要強調說明,中國的1牛頓推力器功耗達到20千瓦。用這麼大功率才實現了1牛頓推力,聽起來挺遜的。但我們在討論航天,能用宇航產品的重量和體積要求實現20千瓦的用電功率,哪怕只是個電爐子,也是了不起的成就。

  下面的問題,就是怎麼讓1牛頓推力器上天了。衛星和飛船上只能用太陽能電池發電,不可能帶一個燃煤發電廠上天。所以,今天的電火箭發動機的推力都很小,必須用化學火箭送進太空以後才能發揮作用。我們能想到什麼辦法呢?沒錯!和劉慈欣想的一樣,用核反應堆。核反應堆在宇宙裏比在地面上更有應用優勢,首先是散熱問題不用太擔心,其次是輻射問題不用太擔心,只要不燒壞自己就行了。

  當然,1牛頓還不夠把地球推到比鄰星去。那麼,我們是不是可以期待一下,10牛頓推力器什麼時候可以點火呢?(作者:孔新)

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