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在轨测试新型碘基等离子体推进器

飞涨 / 新冲动的测试版正在运行。

相信我

大多数人可能熟悉碘,因为它具有消毒剂的作用。 但如果你在高中化学课上熬夜,你可能看过一场加热碘粉的节目。 由于在常压下熔点和沸点非常接近,碘在加热时很容易形成紫色气体。 在低压下,它直接从固体变为气体,这一过程称为升华。

事实证明,这可能使其成为一种称为离子推进器的高效航天器推进器的理想燃料。 虽然一段时间以来它一直被认为是一个很有前途的候选者,但一家名为 ThrustMe 的商业公司现在宣布它首次在太空中展示了一种碘动力推进器。

离子强度

火箭依靠化学反应尽可能快地排出大量物质,从而产生足够的推力将物体送入太空。 但这并不是产生付款的最有效方式 – 我们最终会提高交易效率,以获得击败重力所需的快速包裹。 一旦进入太空,对速度的需求就会消失; 我们可以使用更有效的方法来驱逐物质,因为在不同轨道之间移动物体时可以接受较慢的加速度。

目前的效率冠军是离子推进器,现在已经使用 在一些航天器上. 它的工作原理是使用电力(通常由太阳能电池板产生)从中性原子中剥离电子,从而产生离子。 然后,电气化网格利用电磁相互作用将其高速从航天器中排出,从而产生推力。 离子最终以比化学动机产生的速度高一个数量级的速度被排出。

可以同时加速相对少量的材料,因此这不能产生接近化学火箭在短时间内产生的推力。 但是它使用更少的材料来产生相同的推力,并且如果有足够的时间,可以很容易地产生等效的加速度。 换句话说,如果您对加速有耐心,离子引擎可以以使用更少质量和更少空间的形式完成等效的工作。 这是航天器中两个非常重要的考虑因素。

使航天器能量预算的这项工作成为一种无需太多能量即可电离的材料,这一点至关重要。 目前,选择的材料是氙气,这是一种易于电离的气体,位于元素周期表下方的几行,这意味着它的每个离子都相对较重。 但是氙气有它的缺点。 它相对罕见(在我们的大气中只有 1 千万分之一)并且必须储存在高压容器中,从而消除了一些重量的减轻。

输入碘

碘似乎是一种理想的替代品。 它在元素周期表中仅次于氙,通常是由两个碘原子组成的分子,因此它能够为每个被排出的元素产生更大的推力。 氙气电离更容易,因为失去一个电子所需的能量减少 10%。 与氙气不同的是,它在相关条件下以固体形式愉快地存在,从而使储存更加简单。 只需一点点加热即可将其转化为运行离子发动机所需的气体。

最大的缺点是它是一种腐蚀性材料,这迫使 ThrustMe 对它可能接触到的大多数材料使用陶瓷。

推进器设计包括一个充满碘的固体燃料箱,可以用太阳能电池板供电的电阻加热器加热。 碘本身在多孔氧化铝材料中,防止它在发射过程中经历的振动中分解(氧化铝是 95% 的开放空间,所以它不会产生太多的燃料存储)。 槽体通过小管与电离室相连; 当系统在使用后冷却下来时,足够的碘将在该管中凝固,从而将燃料与外界隔离。

一旦进入电离室,碘气就会受到电子的轰击,使其他电子失活,从而形成等离子体。 然后相邻的电网加速来自该等离子体的正离子,产生推力。 从等离子体中提取电子并注入离子束以保持一切电中性。

热提取器连接到电子设备和碘管壁,随着推进器的释放,热量被回收到碘燃料中。 一旦推进器达到稳定状态,这将蒸发碘的能量需求保持在 1 瓦以下。

整个装置非常紧凑,占用的空间与每边 10 厘米长、仅重 1.2 公斤的立方体相同。 从某些方面来看,它的性能比氙气发动机高 50%。

天基演示

工作设备由一辆 12 模块的立方体车辆运输,重约 20 公斤,称为北航空石一号。 而在过去两年左右的时间里,推进器已经被多次用于处理移动卫星以避免潜在的碰撞。 卫星跟踪和机载推进器监测表明,碘基推进器的工作原理与地面测试期间完全一样。

需要重申的是,实际的推力是最小的——在操作过程中约为 0.8 毫牛顿。 但是推进器可以轻松地维持一个多小时,提供足够的推力将其推入数百米高的轨道。 因此,虽然没有任何东西可以被送入轨道,但 ThrustMe 设备肯定可以很好地将东西送入轨道。

最大的限制再次是速度。 它只是缓慢移动,大约需要 10 分钟,碘才能加热到足以让推进剂开始工作。 如果需要紧急操作,它不会切断它。 但是,假设没有人 卫星爆炸 在您附近,可以提前识别大多数卫星危害。

脾气本性, 2021. DOI: 10.1038 / s41586-021-04015-y (关于 DOI)。

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