文|創(chuàng)瞰巴黎
導讀
飛行器推進需要消耗大量的化學燃料，但是其成本高昂，在太空中難以大量補充。研究發(fā)現(xiàn)電離度較低的“冷等離子體”可以作為衛(wèi)星的推進燃料！與傳統(tǒng)推進相比，燃料噴射的速度更高，能大大節(jié)省燃料，更適合維持衛(wèi)星運轉。
一覽：
- 電離度較低的“冷等離子體”可以作為衛(wèi)星的推進燃料。
- 等離子推進的基本步驟是先將氣體電離，產生正離子，對其加速，從而產生反方向的沖力。這種推進方式較節(jié)省燃料。
- 噴出的離子氣流中還要放入一個陰極，用來中和正電荷，防止衛(wèi)星因太多正電荷離開而積累負電荷。
- 巴黎綜合理工大學等離子物理實驗室的PEGASES課題組正在開發(fā)一種同時包含陰陽離子的等離子體，供飛行器交替加速、噴射。
- PEGASES課題組發(fā)現(xiàn)碘氣是最適合等離子推進的氣體，比曾經廣泛使用的氙氣性能更優(yōu)。
等離子體最主要的實際應用，是微電子元件半導體的光刻。不過，巴黎綜合理工大學講師、等離子物理實驗室研究主任Pascal Chabert帶領的課題組通過理論分析、數(shù)字模擬和實驗驗證發(fā)現(xiàn)它還有另一個用途——電離度較低的“冷等離子體”可以作為衛(wèi)星的推進燃料！
01 速度更快，耗燃料更少
據(jù)Pascal Chabert介紹：“我們發(fā)現(xiàn)光刻和衛(wèi)星驅動有相似之處——都需要加速離子。光刻是讓離子擴散到半導體上需要刻蝕的部位，而衛(wèi)星驅動則是讓離子在真空中擴散，以反作用力推動航行。等離子體被加速得越快，就越能節(jié)省燃料。
“等離子體被加速得越快，就越能節(jié)省燃料”。
等離子推進的基本步驟是先將氣體電離，產生正離子，對其加速，從而產生反方向的沖力。噴出的離子氣流中還要放入一個陰極，用來中和正電荷，防止衛(wèi)星因太多正電荷離開而積累負電荷。Pascal Chabert 解釋：“在半導體生產中，離子被加速后，電子到達基質表面，讓基質帶電，擾亂離子的運動路線，從而發(fā)生蝕刻顯現(xiàn)出電路圖形，過程中同樣需要維持電中和?！?/p>
02“飛馬項目”PEGASES
等離子物理實驗室的學者們受等離子蝕刻原理啟發(fā)，正在開發(fā)一種同時包含陰陽離子的等離子體，這樣就能交替噴射兩種離子，以克服等離子推進的電中和難題，不再需要陰極發(fā)射電子來中和陽離子。
等離子物理實驗室開展的這項課題名稱是PEGASES（Plasma Propulsion with Electronegative GASES，“利用電陰性氣體的等離子推進”，縮寫與古希臘神話中的飛馬Pegasus諧音）。2007年，實驗室成功制造出一臺等離子推進器樣機。Pascal Chabert 表示：“隨著課題的深入，我們開始探究最適合作為推進氣體的物質。這種物質必須便于電離出陰陽兩種粒子。經過一番研究，我們發(fā)現(xiàn)碘單質氣體是最合適的?！?/p>
03 IP Paris等離子物理實驗室：等離子推進的領軍科研機構
“起初，PEGASES項目沒有在學界引起太多關注，但是這些年來我們創(chuàng)造了一些成績，例如發(fā)現(xiàn)碘氣體比曾經廣為使用的氙氣更適合等離子推進。此外，我們課題組的一名博士后Ane Aanesland于2017年創(chuàng)辦了企業(yè)ThrustMe，主要業(yè)務就是為小型衛(wèi)星提供碘基等離子推進系統(tǒng)。”
由于研發(fā)新型等離子推進物質所取得的成就，Pascal Chabert的實驗室已成為碘基等離子推進的領軍科研機構。此外，課題組成員Anne Bourdon與法國賽峰公司共同參與了法國國家科研署啟動的一項工業(yè)技術項目，與企業(yè)共同研究數(shù)字模擬工具和霍爾效應等離子推進器，從而進一步提高了PEGASES項目的知名度。
“霍爾推進器的原理是電磁效應，先將氣體電離，然后在電場中對其加速，只需要一個茶壺大小的設備就能實現(xiàn)”。
“霍爾推進器的原理是電磁效應，先將氣體電離，然后在電場中對其加速，只需要一個茶壺大小的設備就能實現(xiàn)，功率從1kW到10kW不等。霍爾推進器產生的推力很小，只有mN級別，比吹一口氣熄滅蠟燭的力還要小，但是對于在真空、無摩擦環(huán)境中的衛(wèi)星，這樣的力度調整校正軌道則是正正好。”
現(xiàn)在火箭使用的推進系統(tǒng)都基于化學燃料，一直到最近衛(wèi)星也是如此。但等離子推進與傳統(tǒng)推進相比，最大的優(yōu)勢就是燃料噴射的速度更高，能大大節(jié)省燃料。
04 化學燃料推進和等離子推進，有什么區(qū)別？
飛行器推進的基本的原理是加速一定量的物質，在與航行相反的方向排出，以此獲得反作用力作為推進力?；瘜W燃料火箭靠尾部短時間排出大量氣體產生極大的推動力，擺脫地球引力上天。但化學推進系統(tǒng)所需燃料量可謂是天文數(shù)字，成本高昂，不適合長途星際航行，也不適合維持衛(wèi)星運轉。
霍爾推進器的噴射速度約為30–50 km/s，飛行器所需搭載的燃料量比相同條件下化學推進系統(tǒng)少十倍。由于推力太小，此類推進器不適合逃逸地球引力，但用于星際航行加速綽綽有余。