中国火箭发动机有了个可载入史册的重大突破

《环球时报》标题《大突破!赞就完事了》几天前被用来报道中国太空1号牛顿霍尔效应电推进器成功点火。

许多网友在评论区说他们不知道这件事。我们今天将详细解释它,以便每个人都能以一种脚踏实地和透明的方式赞扬它。

霍尔效应电推进器本质上也是一种火箭发动机,属于电火箭发动机的范畴。

▲在漫游地球中,行星发动机

火箭推进最重要的指标是什么?这是一种叫比重的东西。我们知道在中学物理中有一个叫做动量守恒的概念。对于火箭来说,它在未来喷射出多少动量,获得多少动量。这是火箭推进的基本原理,也是伟大的柴可夫斯基公式产生的原因。动量是通过质量乘以速度来计算的。换句话说,火箭喷射的物质乘以喷射速度就是动量。如果火箭想飞得快,有两种方法。一个是喷得更多,另一个是喷得更快。显然,选择喷洒速度更快是理想的。因此,人们建立了一个称为比冲的概念,也就是说,当一千克推进剂转化为气体喷射时,可以产生多少冲量。中学物理也说过,冲量等于动量。热爱物理的人会发现,一旦计算出来,比冲的单位和速度就不一样了。是的,比冲乘以重力加速度等于火箭喷流的流速。

这样问题就可以很容易地解决了。如果你想让火箭飞得快,你必须能够喷射,用力喷射!

经过几十年的喷洒,人类终于无助地发现了一件事。最快的燃料组合是液态氢和液态氧,喷射速度可达每秒3500米左右。看起来这个数字很好,但是考虑到火箭本身有巨大的金属结构、电子系统和卫星.如果是载人飞行,人体和呼吸的空气都加进去,而水和食物维持生命,3500的数字太可怜了。

如果我们想带地球漫游到半人马座比邻星,液态氢和液氧是不可能的。让我们都去死吧。

然而,电动火箭发动机也许能做到。电场和磁场用于将离子和电子加速到极高的速度,从喷嘴中喷出。尽管这些微观粒子的质量很小,但它们速度极快,而且还能获得高比冲。

美国开发的▲离子推进器

现在最常讨论的是所谓的霍尔效应电推进器和离子推进器。所谓的霍尔效应是美国物理学家霍尔在1879年研究半导体时发现的。不用多说,它的喷射速度是多少?每秒可达米以上,最高可达米每秒!离子推进器的比冲是相同的,这项技术是由齐奥尔科夫斯基自己提出的。仍有可能以液态氢和液态氧几十倍的注入速度将地球推开。

然而,电动火箭发动机最大的问题是缺乏推力。不管是霍尔推进器还是离子推进器,都只有“推一张纸”的能力。大多数电动火箭发动机的推力只能用毫牛顿来测量。

日本猎鹰2号小行星探测器现在正返回地球。它的离子推进器号称是当今世界上最先进的型号之一,那么它有多大的推力呢?只有29.56毫米。波音公司在702卫星平台上使用的离子推进器功率更大,推力达到165毫牛顿!

俄罗斯更喜欢霍尔推进器。他们出口的SPT-100推进器在国际航天市场上需求量很大。它的推力高达83毫牛顿,这真的很神奇。

▲SPT-100推进器

毫米!等等,我们不是在说一个牛顿发动机吗?那不是1000毫尼乌斯吗?

像新能源汽车一样,电动火箭发动机必须面对电力系统的共同问题,即低能量密度。为了获得同样的动力,化学燃烧比电力系统需要更少的设备质量和体积。我们可以用一个小打火机来点燃火焰。如果我们用电来达到同样大小的火焰,所需的发电、传输和使用设备比打火机大得多。电动火箭发动机也是如此。几十年来,科学家和工程师们一直在努力减少电气设备的体积和重量,用尽可能小和最轻的推进器来获得尽可能大的推力。一牛顿是一个决定性的里程碑,这意味着中国可以制造飞行速度更快、航程更长的星际飞行器。很难说这是长征的第一步,但把它写进共和国甚至人类文明的史册是绝对必要的。

这里还有一件事需要强调。中国的1牛顿推进器消耗20千瓦的能量。1牛顿的推力是在如此高的功率下实现的,这听起来很蹩脚。然而,我们正在讨论太空飞行。利用太空产品的重量和体积来获得20千瓦的电力是一项伟大的成就,即使它只是一个电炉。

下面的问题是如何让一个1牛顿的推进器飞向天空。卫星和宇宙飞船只能用太阳能电池发电。把燃煤发电厂带到天堂是不可能的。因此,今天的电动火箭发动机推力非常小,只有通过化学火箭送入太空,它们才能发挥作用。我们能想到什么?是的。就像刘想的那样,使用核反应堆。核反应堆在宇宙中比在地面上有更多的应用优势。首先,没有必要太担心散热。第二,没有必要太担心辐射,只要它不会自行燃尽。

当然,1牛顿不足以将地球推到半人马座比邻星。那么,我们能期待10牛顿推进器什么时候点火吗?

点击进入专题:

新浪神平剧时期