ESA测试机载离子发动机


带有在空中工作的电动机的卫星

欧洲航天局(ESA) 使用稀释的空气分子作为“燃料”(工作流体)的电动机进行了全球首次测试 。 这项技术被称为“带空气呼吸的电动推进器”或“带空气呼吸的电动推进器”(ABEP)。 将来,此类发动机可以安装在以非常低的轨道快速旋转的卫星上。

例如,带有离子引擎的GOCE航天器在260 km的高度工作了56个月,用于绘制地球重力。 他的寿命受到氙气供应的限制:他设法只带走了40公斤。 氙气结束后,卫星无力坠落并在大气层中燃烧,因此必须完成任务。 空气不会有这种问题,因为即使在高层大气中也有足够的氧分子。 因此,如果卫星被迫离开轨道,则其原因并非缺少“燃料”,而是部件磨损或其他原因。

实际上,我们正在谈论可以在很低的轨道上很长时间运行的新型卫星。 不仅如此。 类似的设备能够在其他行星的高层大气中工作。 例如,在火星大气中的二氧化碳。


空气中的离子发动机,测试过程中拍摄的照片

离子发动机是一种电动火箭发动机,其原理基于基于离子化气体的喷射推进的产生,该喷射推进在电场中被加速到高速。 没有活动部件,要产生牵引力,只需要将功率从太阳能电池板传递到线圈和电极。 在发动机设计中,“粒子流发生器”为波兰公司QuinteScience开发的进气系统提供了高速的分子流。 然后,粒子被离子化并抛出,产生牵引力。



对于该项目,ESA工程师重新设计了离子引擎,使其可以使用浓度为氧气的分子,从而使卫星可以在200 km的高度以7 km / s的速度捕获它们。

大气密度取决于海拔高度和太阳活动。 此外,一年中的位置和时间也会受到影响。 这些图显示了取决于高度和太阳活动的大致大气密度。



为了确保航天器保持在给定的高度,在最大太阳和地磁活动的条件下,发动机推力必须不小于空气阻力的最大值,并且为了估计所需的工作流体流量或发动机寿命,必须使用空气阻力的平均值。 该表显示了与最小和最大太阳和地磁活动对应的阻力。 在一个统一的地理网格上,针对太阳和地磁活动( 来源 )的每个级别,在一年的时间内计算出最小值,最大值和平均值。



意大利公司Sitael制造了实验性ESA发动机。 它是一种两级电动机,具有传统电动机系统所无法提供的最佳电离和粒子加速性能。 以前,该设计已在计算机仿真中进行过测试,然后是进行真正测试的时候了。

测试是在真空室(如图所示)中进行的,模拟了200 km高度的情况。


实验装置

在第一阶段,用氙气从粒子束发生器检查发动机。 然后,氙气被氮气-氧气混合物部分替代。 当发动机喷流的颜色从氙气蓝变为深红色时,很明显发动机在空气中运转。


真空室内的引擎

最后,该发动机完全依靠大气气体反复运行,以证明该想法的可行性。 因此,将空气用作电动机的“燃料”(工作流体)不再是幻想,而是完全可行的想法。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN410861/


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