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流浪地球里的那种推进器 中国获可载入史册的大突破

http://dailynews.sina.com   2020年01月19日 16:07   环球时报

  “人类目前喷得最快的燃料组合,是液氢和液氧,喷射速度可以达到每秒3500米左右。要突破这个极限瓶颈,需要靠霍尔效应电推力器,这种设备的喷射速度可达每秒10000米以上,最高可以达到每秒80000米。”

  《环球时报》前几天用《大突破!赞就完事了》这个标题,来报道中国航天1牛顿霍尔效应电推力器点火成功的消息。

  这个事儿,很多网友在评论区表示不明觉厉,我们今天就详细解释一下,让大家能赞得踏实,再赞个通透。

  霍尔效应电推力器本质上也是一种火箭发动机,属于电火箭发动机的范畴。

  流浪地球里的行星发动机

  火箭机推进最重要的指标是什么?是一种叫比冲的玩意儿。我们知道,在中学物理当中有叫做动量守恒的概念,对于火箭来说,往后喷出去多少动量,自己就得到了多少动量。这就是火箭推进的基本原理,伟大的齐奥尔科夫斯基公式就是这么来的。动量的计算方法是质量乘以速度。也就是说,火箭喷出去的物质乘以喷射速度就是动量。火箭要是想飞得快,有两个办法,一个是多喷点东西,二个是喷快一点。显然,喷快一点的选择比较理想。因此,人们建立了一个叫做比冲的概念,也就是说,把一千克的推进剂变成燃气喷出去,能产生多少冲量——中学物理还说了,冲量等于动量。喜爱物理的人们一算就会发现,比冲的单位和速度不是一样的吗?没错,比冲乘以重力加速度就等于火箭喷气的流动速度。

  那么问题就容易解决了,要想火箭飞得快,就得能喷,使劲喷!

  人类喷了几十年,终于无奈地发现一件事,喷得最快的燃料组合,也不过就是液氢和液氧,喷射速度可以达到每秒3500米左右。看起来这个数字很不错,但是考虑到火箭自己还有庞大的金属结构、电子系统、要运载的卫星……如果是载人飞行,还要加上人的肉身和呼吸用的空气,维持生命用的饮水、食物,3500这个数字太可怜了。

  如果我们要带着地球流浪到比邻星去,液氢液氧是一点可能性都没有的。大家等死吧。

  然而,电火箭发动机或许可以做到。用电场和磁场把离子和电子加快到极高的速度,从喷管喷射出去。虽然这些微观粒子的质量很小,但速度极快,同样可以实现很高的比冲。

  美国研制的离子推力器

  我们现在最常讨论的是所谓霍尔效应电推力器和离子推力器。所谓霍尔效应,是1879年美国物理学家霍尔在研究半导体的时候发现的。闲话少说,它的喷射速度有多少呢?可以达到每秒10000米以上,最高可以达到每秒80000米!离子推力器的比冲同样是这个规模,而且这种技术就是齐奥尔科夫斯基本人提出的。用这样几十倍于液氢液氧的喷射速度,把地球推走,还是有希望的。

  然而电火箭发动机现在的最大问题,就是推力不足。无论霍尔推力器还是离子推力器,眼下都只有“推动一张纸”的能力。绝大多数电火箭发动机的推力,都只能用毫牛顿来衡量。

  日本隼鸟2号小行星探测器如今正在向地球返航。它的离子推力器号称当今世界上最先进的型号之一,那么推力有多少呢?只有29.56毫牛。美国波音公司用在702卫星平台上的离子推力器更强大一些,推力达到了165毫牛之多!

  俄罗斯更喜欢搞霍尔推力器,他们出口的SPT-100推力器是国际宇航市场上的抢手货。它的推力高达83毫牛,真是了不起。

  SPT-100推力器

  嗯!等一下,我们不是在讨论一种一牛顿的发动机吗?那不就是1000毫牛吗?

  电火箭发动机和新能源汽车一样,都要面对电动力系统的普遍性问题,那就是能量密度低。要达到同样的功率,化学燃烧所需要的设备质量和体积,要比电力系统少得多。我们用一个小小的打火机就能发出明火,要是用电力实现同样大小的火焰,需要的发电、输电、用电设备比打火机庞大多了。电火箭发动机面临的问题也一样。数十年来,科学家和工程师们致力于缩小用电设备体积和重量,用尽量小、尽量轻的推力器实现尽量高的推力。而一牛顿是个决定性的里程碑,意味着中国可以制造飞行速度更快、航程更远的星际飞行器。我们很难说这是万里长征的第几步,但把它写进共和国乃至人类文明的史册里,是完全有必要的。

  这里还有一件事情要强调说明,中国的1牛顿推力器功耗达到20千瓦。用这么大功率才实现了1牛顿推力,听起来挺逊的。但我们在讨论航天,能用宇航产品的重量和体积要求实现20千瓦的用电功率,哪怕只是个电炉子,也是了不起的成就。

  下面的问题,就是怎么让1牛顿推力器上天了。卫星和飞船上只能用太阳能电池发电,不可能带一个燃煤发电厂上天。所以,今天的电火箭发动机的推力都很小,必须用化学火箭送进太空以后才能发挥作用。我们能想到什么办法呢?没错!和刘慈欣想的一样,用核反应堆。核反应堆在宇宙里比在地面上更有应用优势,首先是散热问题不用太担心,其次是辐射问题不用太担心,只要不烧坏自己就行了。

  当然,1牛顿还不够把地球推到比邻星去。那么,我们是不是可以期待一下,10牛顿推力器什么时候可以点火呢?(作者:孔新)

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