航空科普:比传统化学火箭更快更省油,等离子火箭是如何工作的
发布时间:2021-04-07
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航空科普:比传统化学火箭更快更省油,等离子火箭是如何工作的

人类对殖民火星感兴趣!平均而言,火星距离地球大约2.253亿公里。即使距离最近的时候,它离地球仍然有5630万公里。使用传统的化学火箭将我们送到火星至少需要7个月的时间,有没有什么办法能让飞得更快?

为了取代传统的火箭燃料,科学家和工程师们转向了等离子火箭,从而将我们推进到更远的外太空。在这种火箭中,推进剂气体变成了等离子体,然后被电场从引擎的后部推出去,从而向航天器提供推力。

比传统化学火箭更快更省油,等离子火箭是如何工作的

 

这些火箭需要在外太空中工作,因为地球表面附近的空气密度降低了等离子体中产生推力所需的离子的加速度,所以我们实际上不能使用它们从地球上发射出去。

目前在太空中经常使用的有两种等离子发动机,霍尔推进器就是其中之一。在这个装置中,电场和磁场以垂直的方式设置在腔室中。当电流通过这些场时,电子开始以超快的速度绕圈旋转。当推进剂气体被喷射到设备中时,高速运动电子将原子中的电子撞出来,形成了一个等离子体。这些离子从引擎后面被喷射出来,产生推动火箭前进所需的推力。

虽然电离和离子加速的两个过程是分步骤进行的,但它们发生在引擎的同一空间内。霍尔推力器可以为使用的输入功率产生大量推力,因此它们的运行速度非常快。但是它们的燃油效率是有限度的。

另一种更省油的等离子发动机是网格离子发动机。在这种常用的装置中,电场和磁场沿发动机室壁分布。当施加电能时,高能电子在磁场中沿着磁场壁振荡。与霍尔推力器类似的方式是,电子能够将推进剂气体电离成等离子体。为了创造推力,在腔室的末端放置了电网,以加速离子的释放。在这个引擎中,电离和加速发生在两个不同的空间。

尽管网格离子发动机比霍尔推进器更省油,但其缺点是单位面积无法产生同样多的推力。根据他们想要完成的工作类型,科学家和航空航天工程师会选择更适合任务的发动机。

比传统化学火箭更快更省油,等离子火箭是如何工作的

 

传统化学火箭已经很棒了,但它们也有其局限性。火箭燃料非常重,而且效率非常低,不能提供足够的推力来快速到达目的地。在离开地球进入轨道的过程中,燃料基本上已经使用完了,所以剩下的时间基本上都是无动力飞行。

等离子火箭使用的燃料要比这些传统引擎少得多,例如从地球轨道到月球轨道只需要113升的气体​。等离子体火箭逐渐加速,可以在23天内达到每秒55公里的最高速度,这是任何化学火箭的4倍​。旅行时间越短,宇航员暴露在辐射下、骨质流失和肌肉萎缩的风险就越小。


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