發動機技術取得新突破,中國首款牛級霍爾推力器研製成功

2020-01-20     胖福的小木屋

前段時間,航天科技集團六院801所研製的我國首款20千瓦大功率霍爾推力器成功完成點火試驗,點火時間累計達8小時,點火次數超過30次。該推力器的成功研發,實現了我國霍爾電推力器推力從毫牛級向牛級的跨越。

霍爾電推力器又稱霍爾效應推力器。什麼是霍爾效應呢?1879 年,美國物理學家霍爾在研究金屬的導電機制時發現,帶電粒子(例如電子)在磁場中運動時會受到洛倫茲力的作用發生偏轉,那麼在磁場中的電流也有可能發生偏轉。當電流垂直於外磁場通過半導體時,載流子發生偏轉,在導體兩端堆積電荷從而在導體內部產生電場,其方向垂直於電流和磁場的方向。當電場力和洛倫茲力相平衡時,載流子不再偏轉。而此時半導體的兩端會形成電勢差。

霍爾的發現後來被稱為「霍爾效應」,這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。

簡單來說,霍爾效應它定義了磁場和感應電壓之間的關係。當電流通過一個位於磁場中的導體的時候,磁場會對導體中的電子產生一個橫向的作用力,從而在導體的兩端產生電壓差。

霍爾推力器具有中等比沖(1600s)的空間推進技術(比沖是指單位質量的推進劑所能帶來的衝量,這也是火箭推進劑最最重要的指標之一),但它本質上還是一款火箭發動機,它末端的空心陰極(離子推力器中的空心陰極在前端)與前端的陽極放電室自發形成了一個電場。空心陰極產生的一部分電子會自發向陽極遷移用於維持放電,另一部分則與離子推力器的中和槍作用一致,保持排出工質的電中性。



但是,放電產生的離子會向四面八方散逸,那麼需要進行約束。在霍爾推力器中,磁極沿著軸向呈梯度變化的趨勢,越靠近尾部越強;且構建了內外兩個磁線圈,形成了指向圓心的磁場。霍爾效應的磁場就是要滿足霍爾效應。

.1972年,前蘇聯研製的霍爾推力器在其 METEOR 衛星上進行了首次試飛實驗,因為這是目前已實用化的火箭技術中,最為經濟的一種,因為只要調整電場強度,就可以調整推力,由於比沖遠大於現有的其它推進技術,因此只需要少量的推進劑就可以達到很高的最終速度,而既然太空船本身不需要攜帶太多燃料,總重量大幅減少後就可以使用較小而經濟的運載火箭,節省下來的燃料更是可觀。



再加上該結構簡單高效率等優點成為未來空間飛行器的首選推進裝置之一。可為大型GEO(地球靜止軌道)衛星、中型/重型全電推平台、深空探測器、地球軌道空間運輸平台、太空擺渡車等太空飛行器的軌道機動轉移,在軌位保和姿態控制等任務提供高效動力支撐。(PS:霍爾推力器與離子推力器的工作原理十分相似,但是其結構與電離的方式存在很大的區別,千萬不要搞混)

但是此前霍爾推力器只能實現毫牛級,能夠達到牛級技術的很少,目前世界上最先進的霍爾推力器是美國的X3 新型霍爾推進器,他打破了此前NASA另一台霍爾推進器所創下的三項紀錄,分別是推力、運行電流和運行功率。



X3 產生了5.4牛頓的推力,比上一代的3.3牛頓進步一大截,而推力的提升對載人火箭計劃來說意味著更快的加速和更短的航行時間;X3 的運行電流達到了250安培,比前一代的112安培提升了一倍多;在運行功率方面,X3 的102千瓦也擊敗上一代的98千瓦。美國還打算將霍爾推力器運用於火星建立基地、向太空發射大量貨物等任務中。

中國霍爾推力器的研發時間比較短,開始於90年代末21世紀初,底子薄,資金少,在這樣的情況下,我們依然實現了霍爾推力器由毫牛級向牛級的跨越。


中國部分推力器產品


據悉,該推力器在設計中採用了空心陰極中置、磁屏蔽長壽命等新技術。研製中先後攻克大電流空心陰極、輕質小型化加速器、高效熱管理、高壓大功率穩定放電等關鍵技術,具有推力大、比沖高、工作壽命長、可靠性高等特點,

中國此次創下的成果,之前僅美、俄、歐擁有,標誌著中國的霍爾推力器技術達到了世界一流。正如航天人員所說:我們的旅途是星辰大海。



讓我們祝中國航天人員取得更偉大的成績。

文章來源: https://twgreatdaily.com/Rn_bym8B3uTiws8KLArb.html