目前常用的推进剂 要使物体由静止状态变为运动状态或使原来运动着的物体改变运动方向,就必须给予它推动力,而推动力是依靠某些物质在推进装置内进行能量转换产生的,这些物质称为推进剂,换句话说凡是能使推进装置产生推动力的物质就是推进剂。 推进剂在能量转换过程中必须要有工质参与,即初始能源释放出来的能量必须被某种物质吸收才能作功,这种物质就是工质。根据工质的原始形式可以分成两种典型情况;一种是能源和工质是一体的,能源释放出来的能量传给自身反应的产物,例如化学推进剂;另一种是能源和工质是分开的,必须采用专门的工质来吸收能量,例如核推进剂。对于航天领域使用的火箭推进剂,按照其能量类型可分为为化学能推进剂、核能推进剂、电能推进剂和太阳能推进剂。 化学能推进剂在发动机(推进装置)燃烧室内进行化学反应,即能量转换。反应的类型可分燃烧、分解和复合三种。燃烧就是剧烈的氧化反应,是获得热量的最基本和最普遍的方法。反应时要有氧化和可燃两种化学过程。而这过程中起作用的元素可以存在于组成推进剂的一种或多种物质中,其中主要包含或只含可燃的物质称为燃料或燃烧剂。而用来氧化燃料的物质,不管它是由或只由氧化元素组成,都称之为氧化剂。某些单一物质,在其分子生成时消耗热,分解时则放热。这类物质又称为单组元推进剂。目前常用的单组元推进剂是过氧化氢和肼。它们一般被用于飞行器的姿态控制。 核能推进剂在发生核转变时放出大量的热,核推进剂转变的产物质量很小,并有使周围环境污染的危险,所以不宜用作工质。它通常采用氢作工质,氢吸收热量后形成高温高速的喷气射流,从而产生推进力。 电能推进剂有三种类型。第一种是工质被电阻或电弧加热,然后做热力学膨胀,通过喷管高速排出产生推力。第二种是工质(常用贡或铯)被离子化,经电场加速到非常高的速度并被排出产生推力。第三种是等离子体靠电流和磁场之间的相互作用被加速并被高速推出。俄罗斯的SPT是用这种方式工作的最成功的推力器系列,采用氙作为推进剂。电能推进剂的性能很高,如SPT-200试验样机的喷气速度高达19500米/秒,只是目前推力还比较小,只能达到0.01-1.0牛。这种推进剂主要用于航天器的姿态控制和轨道修正。 太阳能推进剂有两种形式。其一是将太阳能转换成电能,形成电能推进剂:其二是将太阳能转换成热能加热工质(如液氢)并高速排出,产生推力。目前两者均未达到实用水平。 在上述各类火箭推进剂中,化学能推进剂已经比较成熟,而其它几种推进剂或是技术尚未成熟或是使用范围有限。所以,目前被广泛采用的主要是化学能推进剂。它又可分为单组元、双组元和三组元的推进剂。 部分推进剂的性能[table=98%][tr][td=3,1,341] 推进剂 [/td][td=1,1,105] 理论喷气速度 (米/秒) [/td][td=1,1,105] 燃烧温度(K) [/td][/tr][tr][td=1,5,42] 液 体 [/td][td=1,3,103] 双组元 [/td][td=1,1,192] 偏二甲肼/四氧化二氮 [/td][td=1,1,105] 3291 [/td][td=1,1,105] 3516 [/td][/tr][tr][td=1,1,192] 煤油/液氧 [/td][td=1,1,105] 3010 [/td][td=1,1,105] 3687 [/td][/tr][tr][td=1,1,192] 液氢/液氧 [/td][td=1,1,105] 4378 [/td][td=1,1,105] 3483 [/td][/tr][tr][td=1,2,103] 单组元 [/td][td=1,1,192] 过氧化氢 [/td][td=1,1,105] 1650 [/td][td=1,1,105] 1004 [/td][/tr][tr][td=1,1,192] 无水肼 [/td][td=1,1,105] 1860 [/td][td=1,1,105] 865 [/td][/tr][tr][td=2,2,147] 固 体 [/td][td=1,1,192] 聚硫橡胶/高氯酸铵 [/td][td=1,1,105] 2260~2355 [/td][td=1,1,105] 2866 [/td][/tr][tr][td=1,1,192] 端羧基聚丁二烯/ 高氯酸铵/铝粉 [/td][td=1,1,105] 2250~2600 [/td][td=1,1,105] 3366~3477 [/td][/tr][/table]采用固体推进剂的火箭称为固体火箭,采用液体推进剂的火箭称为液体火箭。从上表可以看出液体推进剂的性能优于固体推进剂,所以运载火箭大多采用液体推进剂。液体火箭的推进剂分别贮存在火箭的氧化剂箱和燃料箱内,工作时由输送系统将它们送入发动机燃烧室;而固体火箭的推进剂就贮存在发动机燃烧室内,无需贮箱和输送系统。这是固体火箭和液体火箭在箭体结构和动力装置系统上的主要差别。
什么是离子发动机?离子发动机是否能够推动地球实现流浪?
传统的航空推进器是将数百万公斤的液体或固体燃料加入火箭中,以氧化剂将其点燃,借助燃料燃烧产生的推力将火箭送上太空。人类若想到达更遥远的星空,则需要一个更高效的、只需要少量推进剂的推进系统,离子推进器就可以满足这个要求。离子发动机作为目前实用化火箭技术中最为经济的推进器,在航空航天领 域有很广泛的应用,例如卫星在太空中轨道的调整和深空探测器的小推力长时 间飞行。离子发动机具有传统化学火箭所没有的优势——极高的比冲,因此只 需要很少的推进剂就可以达到很高的速度 ,这样减少了燃料的携带 ,减轻了火 箭重量 ,从而节省了燃料 。另外,离子发动机还具有寿命长,可多次重复启动 工作,推力小等特点[2]。提高离子推进器的推力以及推进效率,对于离子推进器的发展极为重要。
离子推进器的结构与基本工作原理
离子推进器可分为四个有机组成部分:推力器:电离室(Ionization Chamber)、空心阴极(Hollow Cathode)、环尖磁铁(Ring Cusp)、离子光学系统(Ion OpticSystem)、中和器(Neutralizer)电源控制单元:(PPU:Power Processing Unit)推进剂供给系统(PFS:Propellant Feeding System)数字控制接口单元(DCIU:Digital Control Interface Unit)。离子推进器基本工作原理:经过光电转化装置将太阳能变为电能,再使电能产生电磁场;工作介质在高温下被电离,形成等离子体,与磁场能相互作用,由电磁感应可以获得产生加速度的力[3]。概括起来说,就是利用太阳能引发的电磁场对载流体等离子体产生洛伦兹力的原理,使处于中性的等离子体状态的工作介质加速以产生推力。
通过对离子推进器的结构与原理进行分析,通过改变网栅结构材料设想提升离子推进器推力并计算得到以下结论:
(1)对于离子推进器的栅极组件,采用C-C编织复合材料取代金属钼栅极是一种合理有效的方法,能在保证力学性能的条件下,提高击穿电压上限从而增大加速电压;
(2)经计算得出改进后,推力F2=53.67mN,比冲Is2=6845.7s,相对推力比率为53.12%,相对比冲比率为53.11%
综上所述,经过改进后的离子推进器在原结构基本不变的情况下在推力上有明显提升,提高加速电压而提高离子推进器推力是可行的方案。
离子发动机是利用工质离子化,在静电场作用下加速喷射而产生推力的发动机,离子式推进器具有比冲击大、效率高、推力小的特点。离子推力器所需的工质质量较传统的推进器要小,是目前已实用化的推进技术中最适合长距离航行的。
一、 离子发动机的特点电离式推进发动机具有极低的加速力和加速度,可以达到几十毫厘牛顿。据描述,这种推力只能吹动一张纸,但是和化学火箭燃烧时间非常短不同,电离式推进发动机能够为火箭提供了很长的加速时间,所以发动机比冲量大。
也就是说,电离式推进发动机在相同质量的工作质能时提供更大的总推力和最终速度。
二、国外研究美国航天局已经开发的新型离子发动机,代号为NEXT,已完成了连续工作48,000小时以上的测试,换算成年数约为5年半,创造了空间推进系统最长连续测试时间纪录。这个氙气推进器是一种太阳能电力推进系统,它的动力来自太阳能电池板。用氙气作推进剂,在长达48,000小时的测试中,仅消耗860千克氙气推进剂,但总冲量相当于传统火箭推进剂10吨。
三、没有普及的原因电离式推进发动机之所以不受欢迎,是因为放电通道内壁存在腐蚀问题,但目前科学家找到了新方法。
通过理论分析和数值模拟,该团队设计出了沿壁面磁场分布,使磁场对等离子体的影响降到最低,并通过改变电场方向来减小加速离子过程对边壁的侵蚀。研究者称这种新型磁场屏蔽方法,是对真空状态下的推进器进行部分改进的,综合模拟和实验结果表明,这种方法可以大大降低加速离子的侵蚀。
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