《流浪地球》上映 離子發動機真能推動地球“流浪”嗎?

  出品:科普中國

  製作:哈爾濱工業大學(深圳) 李會超

  監製:中國科學院計算機網絡信息中心

  在小說《流浪地球》中,當人類面臨提前衰老的太陽吞沒地球的威脅時,“地球派”在全世界建起了諸多地球發動機,這些發動機形成了諸多直插天際的等離子體巨柱,發出如日光燈管一樣的藍白色的顏色。這些發動機的工作使地球停止轉動並離開之前的公轉軌道,踏上流浪之路。

  在真實的航天活動中,火箭起飛時從尾部噴出的火焰,也是由火箭的發動機產生的。從表面上看,這些熊熊燃燒的烈焰似乎比那些筆直的光柱更具氣勢。然而,大劉(《流浪地球》作者劉慈欣)為地球設計的這種發動機方案不但更具備玄幻的科技感,產生的推進效果也要比噴火的化學能發動機要高。雖然人們目前還不具備製造出足以停止地球轉動的這類發動機的本領,但基於同樣原理的發動機,早已經在各類衛星上得到了廣泛應用,還被認為是未來最有希望擔起人類邁向深空重任的發動機。

  這種發動機就是本文要介紹的主角——離子電推發動機

  (《流浪地球》電影海報,圖中的光柱即為地球等離子體發動機發射的。圖片來源 @電影流浪地球 微博)

  化學能發動機有侷限

  一枚體態巍峨的火箭騰空而起後,最終卻只能將重量相對於火箭小很多的航天器送入軌道,如果目的地設定於火星乃至更遠,能夠運載的航天器質量則更低。

  例如,去年成功首飛的獵鷹重型火箭的起飛時的整體重量達1420噸。按照SpaceX公佈的數據,即便放棄科技感極強的助推器、芯一級回收功能來換取更高運載能力,這種火箭也最多也只能將63.8噸的載荷送到距離地面很近的軌道上。如果將目標瞄準火星或冥王星,其運載能力將降低為16.8噸和3.5噸,僅相當於起飛重量的1.2%和0.2%。

  (獵鷹重型火箭發射。圖片來源:wikipedia)

  這樣一種尷尬局面的出現並非馬斯克和他領導的SpaceX技術不精。事實上,目前任何一種已經服役的火箭均存在著運載有效載荷的重量遠小於火箭起飛重量的問題,大部分起飛質量都消耗在了攜帶的推進劑上。同時,在軌工作的衛星、探測器也要講一大部分重量分配給攜帶的推進劑,而不得不減少真正能夠執行任務的有效載荷的質量。在地球附近工作的通信衛星,攜帶的燃料要佔到其發射重量的60%左右。

  而造成這個問題的原因,則要從火箭獲得動力的原理說起。

  設想,一臺小車上裝載了一門大炮。根據牛頓第三定律和動量守恆定律,當大炮開炮時,小車會向大炮炮彈發射方向的反方向加速。對於同樣的炮彈,如果從炮口射出的速度增加,則將小車加速到同樣速度消耗的炮彈則會減少。

  (如果增加發射藥的用量,使得彈丸的出膛速度增加,炮身所在的小車將會向後倒退的更快。圖片來源:GIPHY)

  在宇宙航行中,發動機噴出的推進劑就好比上面故事中的炮彈,而火箭、衛星等飛行器則好比上面故事中的小車,推進劑噴出時所產生的反作用力使飛行器加速或減速。要進入特定的軌道,就必須實現特定的速度增量或減量。例如,從地面起飛進入環繞地球的軌道,速度增量一般要達到8公里/秒。而要從這個軌道再進入奔向火星的軌道,則知道要再得到4.5公里/秒的速度增量。在執行同樣的任務時,如果要減少使用的推進劑的質量,就必須增大推進劑從噴口中噴出時的速度。目前廣泛使用的化學能發動機,都是通過將推進劑中的燃料和氧化劑混合燃燒後再向外噴出的方式,將燃料的化學能轉化為動能。在這種原理下,推進劑的噴出速度到達3.5公里/秒後就很難再提高了。這就是使用這類發動機的火箭和飛行器攜帶燃料的量難以降低的原因。

  (使用化學能發動機的卡西尼-惠更斯號探測器的發動機正在工作,噴出火焰。圖片來源ESA)

  離子電推發動機效率高

  NASA所屬的戈達德航天中心以世界航天理論的先驅者、紐約大學教授羅伯特·戈達德的名字命名。在戈達德有生之年,紐約時報曾經嘲笑這位想用火箭飛向月球的教授“缺乏物理學常識”,而在阿波羅11號登月成功後,紐約時報又不得不發表了一則更正,承認事實已經證明他們對戈達德的批評是錯誤的。羅伯特·戈達德加收無愧航天先驅的稱號,因為他除了進行了人類史上第一次液體火箭飛行試驗外(雖然只飛了56米),還在20世紀初就前瞻性的首次提出了利用電磁場加速離子來推進飛行器的設想。

  (離子電推發動機原理示意圖,圖中兩塊綠色的板即為加速用的柵格板。圖片來源Wikipedia)

  在歷經一個世紀的時光之後,1998年發射升空的美國“深空一號”(Deep Space-1)試驗性探測器使用了基於靜電力的離子電推發動機,將戈達德教授的設想變成了現實。這種發動機使用氙作為推進劑。當氙進入發動機室後,其中的氙原子核和電子首先在電場的作用下分離,使氙原子核變成遊離的氙離子。之後,氙離子進入了發動機中的兩片柵格網之間,由其間的靜電場加速到較高的速度後噴出。如果只噴出帶正電荷的氙離子,而將帶負電荷的電子留在發動機中,那麼這些電子所帶的負電荷就會將噴出的氙離子吸引回來,無法使工作過程持續。

  為此,工程師們在噴口附近還設計了一條能夠噴出電子的管道,使離開發動機的氣體保持電中性,避免這個問題的發生。這種發動機的推進劑噴出速度可以達到20-50公里/秒,相比使用化學能的發動機已經有了質的提高。

  (深空一號所使用的離子電推發動機試車,發動機噴出了呈現淡藍色的離子束。圖片來源 wikipedia)

  離子電推發動機的技術侷限

  你可能會感到困惑,既然在20世紀末人類已經設計出了實用的離子電推發動機,為什麼每次航天發射過程中出現在我們眼前的都是哪些噴火的發動機呢?雖然使用離子發動機後,推進的出流速度得到了提升,但受制於目前的技術水平,在單位時間內噴出的推進劑的量還很少,使得離子發動機的瞬時推力還不理想。雖然深空一號僅花費了74公斤推進劑,就實現了人類飛行器史上不依靠借力飛行等其他手段而實現的最高速度增量,成功到達了布萊頁小行星和寶瑞利彗星,但其瞬間輸出的推力很小,僅僅相當於一頁紙的重量。如此微小的推力還不足以勝任在地面上克服地心引力和空氣阻力的重任,因此需要從地面起飛的火箭目前還不能使用電推發動機。

  (深空一號探測器正在工作,從尾部射出的就是離子發動機產生的氙離子流。圖片來源 Wikipedia)

  但一旦進入太空這種近似真空的環境中,離子發動機就可以利用持續工作的累積效應來完成變軌等任務。放到船和大炮的圖景中,在無法一次發射質量比較大的炮彈的情況下,大炮接連不停的向外發射與大炮彈速度相同但質量相對較小的炮彈。目前,靜電離子發動機是技術最成熟的離子電推發動機。

  在深空1號之後,黎明號、隼鳥號等探測彗星與小行星的探測器也採用了實用了類似的離子發動機。不少在地球附近工作的衛星也使用它來進行軌道維持等工作,極大的節省了燃料。我國的實踐十三號衛星採用我國自主研製的LISP-200離子電推發動機,使衛星減少攜帶燃料達2.5噸。

  發揮優勢,相互配合

  為了提高離子電推發動機的性能,航天工程師們又提出了霍爾效應發動機和磁等離子體力學發動機的設計。這兩種發動機的共同特點是,不再像靜電離子發動機那樣使用有形的柵格網來加速離子,而是在發動機中構造無形的交錯電磁場,利用電磁力加速粒子,從而能在一定程度上提高發動機在單位時間內能夠噴出的推進劑總量,使電推發動機獲更高的瞬時推力。例如,霍爾效應發動機的陰極在發動機噴口處射出電子,這些電子與發動機內部的陽極共同產生了指向發動機噴口的電場。當推進劑進入發動機室後,首先被電離成等離子體態,即電子與離子相互分離,電子和離子都可以自由運動,但整團氣體整體上仍然呈現電中性的氣體態。之後,質量較大的離子在指向噴口的電場作用下向外加速,與噴口處的電子會合後形成中性氣體被噴出。而電子則在電場及與其垂直的磁場的作用下繞著發動機中心旋轉,形成霍爾電流。這些電子旋轉的同時還會向陽極漂移,閉合整個發動機的電流回路。同時,電磁場造成的霍爾效應遲滯了電子的漂移速度,避免了發動機電路短路。而磁等離子體力學發動機則把陰極移動到了發動機的中心,陽極則是發動機四周的圓柱金屬壁。陰極和陽極間形成的電流感應出了磁場,同時還和電流一起對等離子體施加往向外加速的洛倫茲力。在這兩種發動機中,推進劑以整體上呈現電中性的等離子體態存在,而發動機中電磁場與洛倫茲力的產生利用了等離子體的物理性質,因此這兩種發動機也被統稱為等離子體發動機。霍爾效應發動機的研發最早起源於蘇聯。上世紀七十年代,蘇聯的流星1-10、流星1-18等衛星就已經開始應用霍爾效應發動機進行輔助軌道位置。而美國、歐洲等西方國家對霍爾發動機的設計製造則是進入21世紀之後的事。2016年11月3日,長征5號首飛成功,將實踐17號衛星送入預定軌道。而這顆衛星的成功在軌驗證了我國自主研製的世界首套磁聚焦霍爾電推進系統,標誌著我國在等離子體發動機的研發上走到了世界前列。磁等離子體力學發動機則仍處於實驗室研究階段,試驗表明它的推進效能可達霍爾效應發動機的10倍。未來,功率達到100KW以上的磁等離子體力學發動機有希望通過太空核裂變產生的電能,實現更強勁的太空推進。

  (實踐17號衛星所使用的磁聚焦霍爾推力器。圖片來源http://www.chinabeidou.gov.cn/xinwen/865.html)

  兩種發動機的搭配

  基於這些設計的等離子體發動機,瞬時推力等性能依然無法與化學能發動機相匹敵。在一段時間裡,這兩種發動機發揮各自特點互相搭檔,可能是飛向深空的航天器能夠採用的最優方案。在從地面起飛到近地軌道的過程中,使用基於化學能的火箭提供的較大推力離開地面。在從地球附近飛向深空時,則可以利用電推發動機循序漸進、較為高效的推進能力。

  這樣,雖然火箭的起飛重量仍然很高,但能夠向火星至冥王星軌道乃至日球層以外的深空發射的有效載荷的重量就能獲得提升。同時,離子電推技術帶來的推進效率提升,還有望使深空探測不再依賴於大行星引力的“助攻”(即“借力飛行”),使發射窗口和探測方案的設置更加靈活,有更多的航天器能有機會探索遠離地球的深邃太空的奧祕。

  至於地球的流浪,目的地已經設置到了其他恆星,是深的不能再深的深空飛行,等離子體發動機當然是更高效的選擇了。

  參考內容:

  [1] E. Y. Choueiri, New Dawn for Electric rocket, Scientific American, 2009

  [2] E. J. Lerner, Plasma Propulsion in Space, The Industrial Physicist, 2000

  [3] F. C. Diaz, Plasma Propulsion for Space Flight, Coalition for Plasma Science, 2007.

  本賬號系網易新聞·網易號“各有態度”簽約賬號

《更多精彩内容,按讚追蹤Gooread·精選!》
喜歡這篇文章嗎?立刻分享出去讓更多人知道~

    相關閱讀


您可能感興趣