抛弃化学燃料!中国空间站的离子推进器有多牛?超越美国空间站
空间站是一个可以满足人类长期在地球轨道上停留的大型航天器 , 我们可以利用空间站在外太空的低重力环境下进行各种有关生物、物理、化学实验 , 所以空间站也是一个漂浮在外太空的实验室 。
目前在轨运行的国际空间站由美国NASA主导 , 16个国家联合建设 , 已经运行了数十年的时间 。
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由于某些原因 , 我国并没有参与到国际空间站的建设和使用当中 , 但我们现在要建造属于自己的空间站了 , 未来随着国际空间站在2024年的退役 , 我国的空间站将取代国际空间站的地位 , 成为很多国家争相合作的对象 。
关于我国的空间站有一个非常大的亮点就是 , 它的推进系统也就是发动机将采用目前最先进的离子推进器 , 不再使用以往的化学推进器 , 这是人类首次在如此大型的航天器上使用这种推进系统 。
这里有个问题是 , 空间站在被发射到太空以后 , 它可以像月球绕地球 , 或者是地球绕太阳那样一直运行 , 为什么还要动力系统呢?
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原因其实很简单 , 空间站的轨道大约在400公里左右 , 这个位置虽说已经属于太空空间了 , 但是地球的大气层非常的弥散 , 没有一个确切的停止点 , 甚至地球的大气分子能够逸散到月球轨道上 。
要知道月球在38万公里的地方 , 所以在400公里的高度上 , 依旧存在大气分子 , 这里属于热成层 。
虽说这里的大气分子的密度很低 , 两个分子之间的距离能够达到1公里 , 甚至更远 , 但是空间站的体积很大 , 它在不间断的绕地飞行中 , 总是会撞到大气分子 。
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长此以往空间站的速度将会降低 , 轨道衰减 , 最后将会坠入地球大气层烧毁 。 因此科学家将定期给空间站加速 , 将空间站稳定在合适的轨道上 。
除了给空间站提速以外 , 我们还需要利用推进器调整空间站的姿态 , 以及避障等等 。 所以空间站的推进器是少不了的 。
而在即将退役的国际空间站上 , 所使用的推进器是以化学燃料驱动的 , 而我们的空间站将使用最先进的离子推进器 。
离子推进器的优势
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离子推进器相比于化学推进器它的比冲更高 , 也就是消耗单位质量的推进剂所产生的冲量更大 , 离子推进器的燃料利用效率能够达到90% , 而化学燃料的效率只能达到35% 。
举个例子你就能知道化学燃料的利用效率有多低了 , 土星五号是当年美国阿波罗计划所使用的火箭 , 现今依旧是人类制造的最强大的火箭 。
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其火箭第一级有5台F1发动机 , 每台可以提供大约700吨的推力 , 合起来就是3500吨 , 这个数字看起来相当的惊人 , 但是由于化学燃料的单位质量能够提供的冲量有限 , 所有每一台发动机需要每秒燃烧13吨的燃料 。
为了保证发动机能够提供长时间的推力 , 所以就需要携带大量的燃料 。 土星5号的第一级总重2290吨 , 你能想到其中燃料的重量就达到了2160吨 , 剩下的130吨就是发动机以及一些附属装置的重量了 。
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因此使用离子推进器 , 我们可以携带质量更少的燃料 , 就可以给航天器提供更大的速度 , 不仅节省了空间 , 还节省了成本 。
其次就是离子推进器所使用的燃料是惰性气体 , 相比于化学燃料更加的安全 。
那么既然离子推进器如此优秀 , 为何不用在火箭上呢?
虽然离子推进器的燃料利用效率强于化学燃料的3倍 , 但是离子推进器反应速度很慢 , 所能提供的推力非常小;
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一般在毫牛级别 , 只能推动几克的重量 , 现在最强的推进器所能提供的推力只有5.4牛 , 最多能够举起大约540克的重量 , 这个记录是由NASA的K3离子推进器创造的 。
相比于化学燃料推进器能够产生数百吨的推力来说 , 离子推进器在地球上毫无用处 。
因为地球有引力和空气的阻挡 , 而离子推进器虽然燃料效率更高 , 但是这些小的推力是不足以将任何东西送出地球的 。
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