歐歐空空局局爆爆出出黑黑科科技技，，無限燃料造福軍民用低軌衛(wèi)星

+ 張雪松

眾所周知，起傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖不高，衛(wèi)星需要進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)，比如從同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）變軌到靜止軌道（GEO），得裝上大量的燃料才行?？茖W(xué)家們發(fā)明了電推進(jìn)系統(tǒng)，電推的比沖要高得多，最低的電熱型也有900多秒，是比沖最高的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的兩倍，而離子電推和霍爾電推的比沖則更高。電推的研制和應(yīng)用極大地提高了人類的航天能力，比如現(xiàn)在的載人火星任務(wù)，推進(jìn)部分只需要SLS火箭發(fā)射一個(gè)40噸級(jí)的電推深空運(yùn)輸器（DST），而傳統(tǒng)方案至少需要發(fā)射6、7枚重型火箭。

電推系統(tǒng)靠噴出高速的帶電粒子產(chǎn)生推力，但這些粒子可不是空穴來風(fēng)，而是來自攜帶的工質(zhì)。綜合各方面因素考慮，電推發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)基本都用“氙”這種稀有氣體。氙雖然在大氣中相當(dāng)稀少，但供應(yīng)電推使用還是沒問題的，問題在于即使是高比沖的電推發(fā)動(dòng)機(jī)，等效比沖也就是3000到4000秒，雖然比化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是提高了大約10倍，但受攜帶重量所限能提供的總沖量還是相當(dāng)有限的。

比如歐洲著名的GOCE衛(wèi)星，它在250公里高度工作，精確測量地球重力場，為了抵消高空大氣阻力使用了電推系統(tǒng)，攜帶的40千克氙讓它活躍了5年之久，但用完這些工質(zhì)它也就只能墜落了。

人心總是得隴望蜀，普通電推發(fā)動(dòng)機(jī)工作受到攜帶工質(zhì)數(shù)量的限制，要是有工質(zhì)無限的電推該多好呢？

這種概念并非白日夢，歐空局的工程師們最近研制出了吸氣式電推：根據(jù)歐空局網(wǎng)站3月5日的報(bào)道，歐洲工程師們成功實(shí)現(xiàn)了世界首次吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火！

吸氣電推想象圖

吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)對于航空航天領(lǐng)域并不陌生，將來我國的空天飛機(jī)就使用吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，畢竟火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖實(shí)在太低了。雖然原理類似，但實(shí)在難以將“關(guān)西大漢”般張著大嘴吸氣的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，和“小家碧玉”般幾十毫牛推力的電推發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)系到一起。那么吸氣式電推到底是如何工作的呢？

雖然一般把100公里高度的馮卡門線定為大氣層和太空的分界線，但100公里以上仍然有大量空氣分子，高空稀薄空氣的阻力也是讓衛(wèi)星飛船等人造航天器軌道衰減乃至墜落的主要原因。

吸氣式電推不攜帶傳統(tǒng)的氙工質(zhì)，它被設(shè)計(jì)為在大氣高層或者說超低軌道上工作，利用搜集到的空氣分子做工質(zhì)，取代了專門攜帶的氙工質(zhì)，從而獲得超低軌道長時(shí)間機(jī)動(dòng)飛行的能力。歐空局的吸氣式電推由位于意大利的Sitael公司研制和試驗(yàn)，設(shè)計(jì)上在距離地面200公里高度飛行，Sitael公司的真空室能模擬200公里高度的真空環(huán)境，并利用粒子流發(fā)生器模擬迎面而來的高速空氣分子，這臺(tái)沖壓電推或者說吸氣式電推就在這樣的環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)。

作為沖壓電推發(fā)動(dòng)機(jī)，這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有閥門或是其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)主要是研制新的進(jìn)氣道收集空氣分子，值得一提的是，設(shè)計(jì)進(jìn)氣道的公司是波蘭的QuinteScience公司。Sitael公司研制了雙級(jí)推進(jìn)器，它既可以使用傳統(tǒng)氙工質(zhì)工作，這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴出藍(lán)色的“尾焰”，也可以使用空氣分子。該公司對進(jìn)氣道和電推的匹配做了全面的計(jì)算機(jī)模擬，并成功將電推和進(jìn)氣道整合起來。試驗(yàn)中發(fā)生器產(chǎn)生了氮氧混合的稀薄空氣，吸氣式電推吸入空氣并噴出紫色火焰，最終獲得了吸氣式/沖壓式電推的首次成功點(diǎn)火。

Sitael公司隨后進(jìn)行了多次點(diǎn)火試驗(yàn)，測試證明了這種新概念電推發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。隨著他們的成功，吸氣式電推不再是科幻小說或是論文中的概念，而是活生生的現(xiàn)實(shí)。隨著研究和試驗(yàn)的進(jìn)一步深入，吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)被大范圍裝上超低軌道衛(wèi)星，支持各種超低軌道/臨近空間的航天飛行任務(wù)，將變得可以期待。

說起超低軌道任務(wù)，現(xiàn)在低軌道通信星座更是熱門：SpaceX公司的低軌道通信星座第二階段要在340公里高度部署7518顆V波段通信衛(wèi)星，相比于1100公里高度的Ka/Ku波段衛(wèi)星，它將進(jìn)一步降低通信延遲。SpaceX公司剛剛發(fā)射兩顆Ka/Ku測試星，第二階段星座還遙遙無期，如果吸氣式電推發(fā)展順利的話，未來使用吸氣式電推進(jìn)一步降低軌道高度，縮短通信延遲也是極有可能的！

吸氣式電推在民用領(lǐng)域前途光明，它在軍用領(lǐng)域同樣大有可為，我國的快舟一號(hào)衛(wèi)星軌道高度低，使用化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)來維持軌道高度但同時(shí)犧牲了一部分壽命，如果能用上吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)，快舟一號(hào)就能在更低的軌道上工作更久，提供更清晰的遙感衛(wèi)片！如果大型遙感衛(wèi)星能用上這種新概念電推發(fā)動(dòng)機(jī)，在200公里甚至120公里高度（KH-8近地點(diǎn)）長時(shí)間飛行，那衛(wèi)片分辨率和質(zhì)量將進(jìn)一步提高！

吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)

吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)原理

吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰

普通電推發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰

真空室內(nèi)的吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)

毫不夸張地說，如果此種吸氣式電推發(fā)動(dòng)機(jī)將來投入使用，無論是通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星，還是更遙遠(yuǎn)的高超音速飛行器都將獲得長足的發(fā)展，現(xiàn)在冷清的臨近空間區(qū)域也將得以獲得更充分地開發(fā)。