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「離」開地球前往火星的動力 - 先進電力推進系統測試成功

每當執行太空任務時,火箭發射的場景皆相當震撼人心。脫離大氣層並順利進入太空,擺脫重力與空氣阻力的束縛後,需要的是能夠長時間運作的發動機以航行極遠距離。近期,NASA的火箭先進電力推進系統成功通過系統早期整合測試,有朝一日或能成為將人類帶往外星球的動力。

太空梭發射[1]

  無論是液態或固態火箭燃料,均仰賴推進劑及氧化劑結合的放熱化學反應產生大量氣體並形成高速噴流,這些氣體膨脹後從火箭底部噴嘴噴出並不斷加速,藉由牛頓第三定律產生推力,讓火箭能加速到極高速度。



火箭引擎運作原理[2]



  現有的運載火箭皆使用液體火箭引擎以達到發射酬載所需的高推力,但是運作時間不長。為達到長距離航行目標,使用不同動力的火箭發動機便應運而生,最受矚目的當屬使用電力的離子推進器



Blue Origin設計的BE-4火箭引擎[3]



  不同於透過化學反應產生推力的引擎,離子推進器屬於應用電力的推進系統,其原理是透過電力將氣體電離然後將帶電的離子加速後噴出,以其反作用力推動火箭。這種技術效率又高,只需要少量的推進劑就可以達到很高的最終速度,因此不需要攜帶太多燃料,總重量大幅減少除可大幅節省燃料外,也可以使用小型而較經濟的運載火箭



離子引擎運作原理[4]



  缺點是推力過小而無法使太空船脫離地表,而即使在太空中也需要很長的時間進行加速,但在經過很長時間的持續推進後將會獲得比化學推進快很多的速度,這使得離子推力器被用在遠距離的真空環境航行中。

  NASA已在某些探測器中應用電力推進系統,包括目前正在小行星帶上探索穀神星的曙光號太空探測器



曙光號太空探測器[5]



   2016年,NASA與火箭引擎製造商Aerojet Rocketdyne簽訂價值6700萬美元的合約,預計3年內製造出先進電力推進系統(Advanced Electric Propulsion System,AEPS),目標是要較現有引擎的效率高10倍,推力要達現有電力推進系統的2倍且更堅固耐用。

  整套系統必須包含推進器、電力系統及用來控制推進燃料流動的模組,為加快研發進度,NASA 也提供一組原型推進器與電力系統,讓Aerojet的工程師參照。

  計畫於2020年代中期的小行星定向任務(Asteroid Redirect Mission,ARM),發射太空船前往鄰近地球的小行星,利用太空船上的機械手臂捕捉小行星表面的巨大岩石,並將其帶回月球軌道以讓太空人進行研究,而 先進電力推進系則做為機械手臂的動力來源,也將用於未來的火星探測旅程。



先進電力推進系統[6]



   2018年8月,整套系統成功通過早期整合測試,測試重點在13kW霍爾推進器(Hall thruster)的功率元件,證明放電供電單元(DSU)及功率處理單元(PPU)能夠高效轉換功率且產生最少廢熱。霍爾推進器是離子推進器的一種,可在磁場捕獲電子並電離化學推進劑(最常用的是氙,其他包括氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅等),將分子加速以產生推力,總體而言,這些發動機使用的推進劑比傳統化學火箭少10 倍,但NASA相信離子推進器的效率能提高100倍。



霍爾推進器運作原理[7]



  除了NASA,歐洲太空總署(ESA)也不落人後,今年初開發出全球第一台「呼吸型」電離子推進器RAM-EP,能收集、壓縮大氣底層的稀薄氣體。接著再賦予空氣電荷藉以產生加速力,並利用反作用力作為推進力使用。



呼吸型電離子推進器運作原理[8]



  於模擬高度 200 公里大氣環境的真空實驗室進行測試,過程中先以氙氣作為推進劑,冒出藍色的推進流,接著漸漸將氣體換為氮氣、二氧化碳的混合空氣,推進流顏色逐漸變成紫色,這便代表著以空氣作為推進劑是可行的。儘管產生的推力不強,但已足夠讓人工衛星長時間運行於極低軌道,延長壽命年限。



推進器於真空室中測試[9]



不同化學推進劑產生的顏色[10]



  無論是過往的太空任務或是未來的太空旅行,每一分重量都很重要,如果在能完成任務的前提下減輕所需的燃料重量,即可研長任務時間及降低任務成本。離子推進器的問世代表人類在運輸科技上的一大突破,有別於一般化學燃料引擎的特性,將能加速實現人類航向外太空的終極目標。



呼吸型電離子推進器測試[11]



文章參考來源:

[1] NASA 火箭電力推進系統測試成功,奠定深空任務下一步(檢索日期2018/09/14)

https://technews.tw/2018/08/30/aerojet-rocketdyne-aeps-hall-thruster-nasa-rocket/

[2] Aerojet Rocketdyne Successfully Demonstrates Advanced Electric Propulsion Capabilities for Future Space Exploration (檢索日期2018/09/14)

http://www.rocket.com/article/aerojet-rocketdyne-successfully-demonstrates-advanced-electric-propulsion-capabilities

[3] Aerojet Rocketdyne demonstrates electric propulsion capabilities for future deep space missions(檢索日期2018/09/14)

http://www.spaceflightinsider.com/organizations/aerojet-rocketdyne/aerojet-rocketdyne-demonstrates-electric-propulsion-capabilities-for-future-deep-space-missions/

[4] Successful testing gives NASA’s Advanced Electric Propulsion System a boost (檢索日期2018/09/14)

https://newatlas.com/nasa-advanced-electric-propulsion-system-test/56127/

[5] 前往火星!NASA 擬研發新型火箭電力推進系統,較化學推進效率高上 10 倍(檢索日期2018/09/14)

https://technews.tw/2016/04/22/nasa-new-electric-propulsion-system-for-mars/

[6] NASA contracts Aerojet Rocketdyne to develop a new electric system for deep-space vehicles (檢索日期2018/09/14)

https://www.theverge.com/2016/4/20/11466636/nasa-aerojet-rocketdyne-solar-electric-propulsion-contract

[7] Air-breathing electric propulsion(檢索日期2018/09/14)

https://en.wikipedia.org/wiki/Air-breathing_electric_propulsion

[8] 離子引擎大突破可以用億分之一的燃料帶我們到火星(檢索日期2018/09/14)

http://hssszn.com/archives/7484



圖片引用來源:

[1] http://www.ifuun.com/a201801259394866/, retrieved September 14, 2018

[2] https://www.google.com/search?q=liquid+rocket+engine&tbm=isch&source=lnt&tbs=isz:l&sa=X&ved=0ahUKEwi7nYjEg6TdAhUW97wKHfzQCPIQpwUIHQ&biw=1280&bih=887&dpr=1#imgrc=7T_hBCkMJv8CyM:, retrieved September 14, 2018

[3] https://chinese.engadget.com/2017/10/21/blue-origin-new-glenn-be-4-rocket-engine-test/, retrieved September 14, 2018

[4] https://pansci.asia/archives/73425, retrieved September 14, 2018

[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Dawn_(spacecraft), retrieved September 14, 2018

[6] http://www.spaceflightinsider.com/space-centers/glenn-research-center/advanced-electric-propulsion-system-successfully-tested-nasa-glenn-research-center/, retrieved September 14, 2018

[7] http://www.daviddarling.info/encyclopedia/H/Halleffectthruster.html, retrieved September 14, 2018

[8] https://newatlas.com/air-breathing-electric-thruster/53671/, retrieved September 14, 2018

[9] http://aerospace.mtu.edu/research/condensable-propellant-hall-thrusters/, retrieved September 14, 2018

[10] https://www.limitlessiq.com/news/post/view/id/3815/, retrieved September 14, 2018

[11] https://www.limitlessiq.com/news/post/view/id/3815/, retrieved September 14, 2018



 

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