推车体会作用力与反作用力
不管是什么类型的火箭引擎,它都要向后方喷射气体(工质),衡量一台引擎的指标通常有推力、燃烧时间、喷气速度、能源效率、比冲等等。
推力好理解,一枚自重500吨的火箭,你推力小于500吨它就飞不起来;即便发动机的推力有501吨,凭借多出来的1吨推力也没办法让火箭短时间里加速到很快。
燃烧时间跟航天器携带的燃料有关系,火箭还没飞出大气层燃料就耗尽了,后继乏力,它还是会掉下来。
喷气速度影响到航天器飞行的最终速度,要想缩短星际飞行时间,我们还是需要喷气速度更快的发动机。
火箭依靠喷气的反作用力飞行
与化学火箭引擎相比,采用电力推进的发动机效率与速度要高出许多倍。
大约在1960年代初,美国航空航天局(NASA)的科学家就提出离子发动机的设计概念:用电能产生电场,把推进剂的原子电离成离子,带电的离子在电磁场中加速到极快的速度喷射出去,喷射离子产生的反作用力就能推动航天器前进。世界上第一台实用的霍尔推进发动机是由苏联人制造的,苏联解体后,全套资料被美国获取,极大地推动了美国和西方国家在电推领域的发展。
美国6kW霍尔推进器
受到霍尔发动机的原理限制,我们很难通过比较小的输入功率实现很大的推力,在之前几十年时间里,大多数霍尔发动机推力只有毫牛级。中国天宫空间站的天和核心舱外边就安装了4台霍尔推进器,每台输出推力仅80毫牛,4台加起来才0.32牛,还不足33克力。打一个形象的比方:霍尔发动机的推力只能吹动一张纸!
这么小的推力到底有什么用处?我们得来谈一谈霍尔推进器的好处:高比冲、高速度、高能效。
天和核心舱外有四台霍尔推进器
比冲是衡量一台喷气发动机的重要指标,它主要是指发动机消耗一定数量燃料所产生的冲量,而冲量又是力在单位时间内的积分,所以比冲的大小反映了喷气发动机每单位燃料产生推力的效率。发动机比冲越高,意味着燃料利用效率越高、有效喷气速度也越快。
就拿著名的土星五号主发动机F-1来说吧,它的单台海平面推力达到惊人的6770千牛,海平面比冲仅为263秒(2.58千米/秒),而5台F-1发动机只需要168秒就能把一级火箭2160吨燃料全部烧光,平均每台发动机每秒钟烧掉2.57吨燃料。
与传统化学火箭发动机相比,霍尔推进器的推力简直不值一提,但它的比冲值却高达1000~8000秒,换句话说它的排气速度能达到大约10~80千米/秒;霍尔推进器可以连续工作几千个小时,这是任何化学引擎都不能做到的;因为高比冲,霍尔推进器的能效比极高,只要时间够长,它可以用极少的燃料达到终末速度,这意味着更低的成本和更大的载荷。