
电推进器的定义是通过电能转换为推进剂动能喷出做功的推进器,可以通俗的称为电火箭。电火箭的类型远比化学火箭庞杂的多。电能转换推进剂动能的方式大致上分3大类:电热式、静电式、电磁式。
电热式远离很简单,通过电阻、电弧或者微波等方式加热推进剂膨胀后高速喷出,一般用于航天器姿态控制微调上。优点是结构简单、可控性好,缺点是能量转换效率低损耗大、喷气速度相比其他电推进器也更低。已经大量用于各种航天器作为姿态控制系统的辅助组成。
静电式是利用库仑力加速,先用电子束或者微波等手段轰击气化的推进剂剥离电子导致电离,利用不同的网格电极之间的电压差吸引把推进剂离子给吸过去,用电场加速。因为喷气是电荷不均衡的离子,需要用电子枪中和。不然会导致静电积累、航天器电荷不平衡导致电气干扰、故障等麻烦。是狭义上的离子推进器。优点是能源利用效率很高,能轻松超过70%(也就是说输入的电能中70%以上成为了喷气的动能)在低功率下表现也很出色。同时喷气速度也很容易提升,适合作为低推力主推进系统或者修正维持轨道。缺点是比较挑剔推进剂,偏爱容易电离的物质,例如汞、铯、氙,其中汞、铯有腐蚀性,氙则死贵。同时因为电离的高温高速推进剂对电极有侵蚀作用,影响了寿命、结构和设计要求上也有点复杂,包括离子光学系统。还有就是单位面积功率、推力低,高功率下面积可能非常大、笨重。
目前已经用于一些商业卫星和深空探测器,例如率先成功实现小行星采样的隼鸟系列探测器、第一次先后环绕2个地外天体公转详细考察的黎明号探测器等。我国在实践系列卫星上也成功试验了静电网格离子推进器。
电磁式是利用电磁原理加速,本身是个很庞杂的群体,不同类型的电磁式电推进器之间的差别堪比哺乳动物里老鼠和蓝鲸的差别。既有小巧简单而低效的脉冲等离子体推进器,也有目前炙手可热的霍尔效应推进器,还有面向未来功率强大的磁等离子体动力学推进器、可变比冲此等离子体火箭等等。
脉冲等离子体推进器有点像是简陋电磁轨道炮,用高压电弧脉冲气化电离推进剂例如塑料然后啪的一下借助劳伦茨力打出去。优点是结构简单容易控制、可以用廉价容易储存的固体例如聚合物作为推进剂,不过效率低、推力低,适用于低推力姿态控制。
其中霍尔效应推进器是利用磁场和已经电离的推进剂之间产生的霍尔电流带动推进剂运动,喷气是电荷不平衡的离子,所以需要电子枪中和电荷。因此虽然名义上又叫稳态等离子体推进器,实际上属于广义的离子推进器。霍尔效应推进器的优点是成熟、相对静电离子推进器更简单可靠、效率尚可、同时喷气速度虽然比不上静电离子推进器但也比电热推进器高多,而且不那么挑食。虽然氙最好但也能用其他推进剂,例如SpaceX星链卫星上的霍尔效应推进器就是用氪气作为推进剂。缺点是喷气速度(比冲)提升比较困难,同时也存在电极侵蚀问题,不过相对静电离子推进器好一点。
总体上霍尔效应推进器属于平衡型的,所以特别受欢迎,商业卫星还是军用卫星、深空探测器甚至载人航天器例如月球门户空间站、NASA拟议的载人火星飞船等都大量已经使用或者计划使用霍尔效应推进器。可以用来修正轨道也能用来作为主推进系统变轨。我国在在霍尔推进器上也有很多研究可以说成熟了。
磁等离子体动力学推进器可以理解为连续工作喷等离子体的环形电磁轨道炮,优点是结构简单、紧凑功率推力密度很高。大功率下表现出色、同时不挑推进剂例如廉价的氨、氩等就很好,喷气速度也高。缺点是低功率下能源使用效率非常低毫无竞争力,最好是100千瓦以上功率才有实用性、同时高温高电压等离子体对电极侵蚀严重导致寿命短。
磁等离子体动力学推进器适用于大型货运航天器、深空载人航天器的主推进系统,不适合功率有限的卫星。一般需要面积堪比国际空间站的大型光伏阵列或者核反应堆才驱动的了。目前我国也有研制试验。
而可变比冲磁等离子体火箭算是电热和电磁式推进器的混合型,用类似磁约束核聚变反应堆的方式把推进剂疯狂加热到上百万开(当然少了中性束注入)并且电离使其膨胀最后在磁场中进一步加速喷出,因为有磁场约束所以不担心材料承受不住高温的问题。优点是很容易控制调整喷气特性,在可以在高推力低比冲和高比冲低推力之间切换,更好的满足任务中不同场合需求,就好比起飞加力和巡航模式一样。喷气速度也容易提升。并且由于不存在接触高温离子或者等离子体的电极所以不存在侵蚀问题寿命长,也不挑剔推进剂。缺点是结构极其复杂,需要超导体带来额外制冷需求等等,自然造价昂贵。低功率下效率也低下没竞争力,最好100千瓦以上才好用,卫星没法用。
可变比冲磁等离子体火箭生态位类似磁等离子体动力学推进器,是给大型高功率航天器作为主推进系统,不过效率更高寿命长的多,价格也昂贵。
此外还有脉冲感应推进器、无(电)极劳伦茨力推进器等等。具体参数就不说了,毕竟太杂了太繁琐了,一般人也头疼。而董的人则不需要说。
总结一下,电推进器五花八门。其中鉴定是不是离子推进器的方法很简单,看喷气的电荷是否平衡中性、是否需要额外手段例如电子枪中和。如果是那就是广义上的离子推进器。离子推进器属于电推进器就像无尾目属于两栖纲一样。
对了电推进器的推力都很低,以毫牛顿来计算。千瓦级的电推进器也就几十到几百毫牛顿。无法从地面起飞,必须在太空才能用。也无法让航天器直接进入转移轨道,而是慢慢加速走螺旋轨道就像盘山路一样。科幻里用电推进器像战斗机一样随心飞是胡扯。至于加大推力,那羊毛出在羊身上,推进器本身的推重比低,例如某型静电网格离子推进器功率5千瓦、质量10千克、推力205毫牛顿(20多克)。除了推重比外能源系统的质量也是关键,毕竟加大推力需要更大功率,更强的发电设备自然更重,都是水涨船高。
还有电推进器的燃料(提供能量的)就是电力来源,跟推进剂是分开的。喷出产生动能的物质也不叫工质而叫推进剂,NASA等都是这么用。
