关于电推进技术的不靠谱科普（一）

橘子和枪

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看了半天，似乎大家对电推进似乎不太了解，正好本人狼狼一只狗以前跟一些搞电推进的一起有过一些交流，聊一下关于电推进的不靠谱的科普。
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  k4 z7 b1 z+ Z% o" |/ C1.  为什么电推进

众所周知，虽然常常说太空中是真空，但是实际上太空中还是有空气的，同时太空中还有各种各样的干扰存在，因此如果不想办法经常补充点原力，则用不了多久卫星就会脱离轨道，甚至掉下来（轨道保持）。另一方面卫星也需要时不时的上别的地儿去串串门，比如老美就特别关心毛子晚上睡觉睡得好不好，因此也需要有些动力动动（变轨）。另外卫星也经常需要扭扭腰，把天线的方向对准地球，不然的不知道天线会冲向哪儿，要是天线的方向对到了月亮上，则你在地面怎么喊都听不见了（姿态控制）。
% P* ~6 I: _0 g* }% g8 O好消息是由于太空中的阻力非常小，只要毫牛级的推力就够了，如果实在觉得不够不可多开一会儿，速度总能慢慢的加起来的。
# p+ A! ?. A8 Q3 l一开始卫星上面是没有这些玩意儿的，美苏为了抢先把卫星送上天，当然星上的设备越少越好，设备越少可靠性越高，当时的想法是只要把卫星扔上天就行。比如美国的第一颗卫星跟一个橄榄球差不多大，几乎什么也没有。当然也不需要这些劳什子了。
把卫星送上天后，就得考虑姿态控制问题了，一开始采用的是压缩气体，因为简单，只需要一个阀门就行了，需要说明的是用的不一定是空气，也可能是别的某种气体。这种方案时间现在也还有用的，比如航天员的出舱宇航服也用这个玩意儿。
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  x$ S; \& q( B0 E- P 喷气推进
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1 U7 p7 K. O* b9 Q( D8 L7 b3 ?不过由于压缩气体的工作时间有限，因此在天上能工作的时间比较短，几下下就会用完了，然后卫星就又会自由飞了， WALLE就变成了太空陨石了。
+ k0 N& N2 p3 k- h为了让卫星在天上能多溜达几天，人们就改用了化学火箭。这样卫星在天上的工作时间则可以大大延长了，从数月增加到数年。
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化学火箭
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为了进一步增加卫星在天上的工作时间，上时间50-60年代，美苏开始了电推进的研究。
简单的说，为了在太空中推进，需要(一)工质，（二）能量。分析压缩空气和化学火箭的工作原理，可以认为这两种方式都需要卫星自己把工质和能量背上天的，而航天领域有一句口号“为减轻一克重量而奋斗”，因此卫星悲伤天的工质注定有限，这注定这两种方式的工作时间都不会太长。
因此要想提高卫星的工作时间，则需要在太空中解决这两个问题。由于太空中空气的密度太低，试图在太空之捕获物质作为工质不太靠谱，因此工质还得自己背上去，如果能够在太空中为卫星补充能量的话，则可以大大增加同样重量工质的工作时间，用本行业的黑话来说，叫做“比冲”，即单位工质产生单位推力的时间。
* o0 X2 I2 k  h( I7 v% f6 q4 I$ D而在太空中最容易获取的能量则是电能，可以通过核反应堆或者太阳能电池板来获得。

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太阳能电池
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1 |& d% k, Z' s! O% A然后想办法把电能加入到工质中。为了把电能加入到工质中，一种方案可以直接用电加热工质，产生高温高压的气体喷射出去，这种方案最简单，但是效率太低，其比冲和化学火箭差不多，用的非常少。
, ?2 e; N9 A6 l4 S另外一种方案则是想办法让工质电离，产生离子或等离子，然后用电场或磁场中加速工质，从而产生推力，即所谓电火箭或者电推进。这种方案的性能比前面的方案有了长足进步，其重要的关键指标如比冲由数百秒增加到了数千秒，增加了10倍以上，从而卫星在轨的工作时间也可增加数倍。
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) L$ F. J/ |+ d& O性能比较

目前应用较广泛电推进技术大致有老美的离子推进器或者老毛子的等离子推进器，前者是用电场加速离子，而后者是用磁场加速等离子体，当然考虑到电磁不分家，这种说法很不严格。
这两种发动机的性能差不太多。在50-60年代大家在研究点推进的时候，各种方案都在研究，只不过老美是把离子发动机先送上了天，而老毛子则是把等离子发动机先送上了天，由于航天的市场太小，基本上无法容纳两个性能基本相同的产品，另一个方案就自然死亡了，于是形成了老美的离子发动机派和毛子的等离子发动机。

离子发动机
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等离子霍尔推进器
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据不可靠八卦，毛子的等离子发动机的发明人莫罗佐夫完成等离子发动机后，为了争夺上天机会，和另外几个设计局狠斗了一把，最后莫罗佐夫赢了，基本占领了毛子的电推进的市场，而另外几个设计局就没有然后了。


阿列克谢-莫罗佐夫（Алексея Морозова）
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7 O/ a" h% z( P; U4 ?$ ]% j设计局50周年


(喝水去了，坑不深赶紧跳吧)

冰蚁

能不能说说死掉的几个方案是什么？

橘子和枪

& I: {1 u; |) D+ Q/ v2. 电推进的工作原理
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" F4 n; }4 y+ H9 }3 p8 g, X如前所述，根据电推进系统中将电能转化为推进剂动能方式的不同，大致可将电推力器分为：电热型、静电型、和电磁型。

电热型推进系统
1 |1 S/ a$ f/ F" [/ F, |电热型推进系统利用电能加热推进剂，是最早在实验室中进行研究的电推进类型，也经常通过传统的化学火箭发动机改装而来。被加热的推进剂经拉瓦尔喷管加速喷出发动机，产生推力。电热型推进器是几种电推进中比冲较小的，和传统化学火箭发动机比冲相当，但其优点是结构简单、价格便宜、安全可靠、操作和维护方便等。典型的电热型推进系统有电阻加热喷气推进器（Resistojet）和电弧加热喷气推进器（Arcjet）。
这种方案一般只在一些特殊场合可能有用的，大规模使用的近地轨道商业卫星的一般不用这种方案。

电热方案
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- c( s& ~. X" r! }1 E: [3 W+ A6 W静电型推进系统
  v2 d6 D, d- v7 D/ V静电型推进系统将推进剂气体原子电离为等离子体状态，再利用静电场将等离子体中的离子引出并加速，高速喷出的离子束流对推力器的作用力即为推进系统的推力。其采用的工质一般为容易电离的气体，如氙气氪气等。等离子体中一般包括带正电的离子和带负电的电子，但是整体呈电中性，在电场中电子往阳极跑，离子往阴极跑，由于离子的质量远远大于电子，把离子束流喷出去则可以产生推力。
! W% Q1 }& z: T2 s" u+ y* T此外，有的静电型电推进系统利用静电场加速带电液滴或液态金属离子产生推力。

- M! j' h2 Q% Y" S" A, r: N静电型推进器特点是比冲高、结构紧凑、质量轻以及技术成熟等。典型的静电型推进系统有霍尔效应推进器（Hall Effect Thruster, HET。霍尔效应推进器还被称为稳态等离子体推力器，Stationary Plasma Thruster, SPT）和离子推进器（Ion Thruster, IT）。
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Spt
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# `" d$ u$ Q: a8 I离子推进
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电磁型推进系统
电磁型推进系统利用电场和磁场交互作用来电离和加速推进剂，产生推力。在电磁型推进系统中，推进剂离子的加速不是通过单独的电场来完成的，因此，喷出的离子束不受空间电荷的限制，即在等离子体中，通过磁作用比通过静电作用能获得更大的能量密度。电磁型推力器的特点是比冲高、技术成熟、寿命长等。典型的电磁型推进系统有脉冲等离子体推进器（Pulsed Plasma Thruster, PPT）和磁等离子体推进器（MagnetoPlasmaDynamic Thruster, MPDT）。


磁等离子体推进器


这就是比冲不同的结果。（看看好莱坞的磁场设计。）
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总的来说，电推进的关键技术包括：
1. 电源设计
电推进中推进剂喷出推力器时的动能是由电源的能量也就是功率决定的，因此理论上来说，只要电源系统的功率足够大，电推进系统的比冲可以远大于传统的化学推进发动机。实际上，电源系统始终是制约电推进发展的一个关键要素，当前应用的电源系统大部分为太阳能电池板，其功率较小.
" R( C% Q' U" G( p. z) l. H' t2. 电磁场设计
即需要通过地磁场设计把等离子体约束在通道中，并且沿轴线喷射出去，因为不沿轴向喷出去的等离子体，不但会产生推力损失，而且还会产生讨厌的横向分力，这里有一个重要指标叫做“羽流角”，越小越好。另外离子喷出发动机后，在空间会乱跑，可能也会污染星上的一些光学和雷达设备，这也是很讨厌的。
3. 寿命
. k( g6 W8 c% ^# r0 p另外等离子体加速后的速度是很高的，可达几十到几百公里每秒，而且离子还是带电的，这么高速的离子轰击通道壁面的话，很快就被烧蚀。为了解决这个问题，一方面则需要采用磁场设计，约束等离子体的运动，做电磁喷管；一方面采用陶瓷材料制造喷管壁面，以抵抗烧蚀，因为无论怎么设计，总有些漏网之鱼会冲击到壁面的。
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0 t$ K0 _9 C6 d' J; A下面是几个毛子的spt发动机的照片
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spt50

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spt100

: v) J( H& T+ g& \) ZPPS-1350推进器，法国的山寨产品，趁着90年代毛子困难时期，大减价弄去的。
实际上中国的spt技术的来源也差不多。

橘子和枪

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橘子和枪 发表于 2016-1-16 13:35
2. 电推进的工作原理
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* \, C2 P( G- B3 d% k如前所述，根据电推进系统中将电能转化为推进剂动能方式的不同，大致可将电推力器分 ...

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3. 中国电推进技术进展

: u; C& T- e4 D- g$ l: L; p- A6 I目前国内卫星的在轨寿命远低于美俄，大致是几年vs.10几年，其中原因很多，其中一个很主要的原因（虽然不一定是最重要的，但也差不多）目前国内卫星的还用的是化学火箭，因此星上很大一部分载荷都给燃料占用了，按照那个新闻里面的说法，4吨中的卫星，有2吨多都是燃料，但是寿命还是不够。
如果想要增加在轨时间就得增加燃料的携带量，从而会占用卫星的载荷，因此必然转向高比冲的电推进方案。

+ V: v- h; O8 z& J. U9 i国内的电推进技术研究大致从上世纪90年代开始的，目前国内开展离子电推进技术研究的单位包括510所（离子推力器）、801所（霍尔推力器）、502所（霍尔推力器），以及哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、国防科大、上海交大等。其中牵头的是三个研究所，而每个牵头的研究所后面都跟着一所或者几所大学摇旗呐喊，哦不，应该改叫做提供理论支持。技术路线么，大家都选择目前国际上比较成熟应用比较广泛的离子或者霍尔推进。技术的源头，要么学毛子或者学老美，至于怎么来的就看着办了。
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一般情况下，国内国防单位干活一般是比较低调的，很少在公共媒体上大肆宣传，除非是已经干完的，即所谓干了也不说，说出来的都是干完的。
但是关于电推进技术则似乎有点与习惯相反，大家有点进展就大声嚷嚷，很有点目前眼球经济的味道。

( w2 p# e7 U* v/ l0 o4 @# }+ Q! g其原因在于，电推进技术的应用市场实在太窄，很难容下两个相同的产品，航天活动一般是单件或者极小批量生产，对可靠性的要求可谓极端变态，因此任何一个总师都尽量采用经过考验的技术，而不希望采用未经验证的产品，除非新技术或新产品较原型号有了重大优势。

0 x1 K5 z% f4 _- Q而目前国内这几家的技术水平都差不多，谁也不必谁强多少，无论是选择了哪一家的产品，总会觉得另外两家的要好一点。因此目前这几家之间的竞争可谓惨烈，大家各显神通，各种公关活动也非常积极，所以在最终结果出来之前，大家都拼命刷存在感。这也是电推进技术在国内曝光率那么高的原因之一，因为输赢只有一线啊。一旦赢了，则大家可以吃香的喝辣的，什么科学院工程院院士、国家科技进步奖、甚至最高科技奖等等就都有了，而一旦输了，不但前期的投入都打了水漂，也意味着在整个方向上就会自然死亡了。
9 Q4 k7 n- M. v6 Q* I) \* ~+ L
比如前面那个新闻，显然这个发动机还没有上天，还远没有到可以庆功的地步，就已经开始咯咯的叫唤了，原因在于实在太着急了。这个么可以看看这个几年前的新闻。
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7 y  C3 ~2 m) _! Q  W+ ahttp://www.guancha.cn/Science/2014_02_18_206882.shtml

% m- }# N2 _* J& N. |7 ehttp://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n214/c668412/content.html

/ H, `$ i9 g" ^1 [0 Ihttp://military.china.com/import ... 40217/18345003.html


9 v# }1 |% l' @8 u8 n$ n6 Z都上天了
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4 n, o. D: v; t) J  t可见目前502所已经落后了，而这个是一步错，则步步错，因此502所着急啊，只能抓紧时间大声叫唤，提醒大家

+ N  D8 _) s7 a) G“别忘了，还有我哪！！！”
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坑挖完了，跳吧。

知止

这科普相当靠谱。不过电推进的市场越来越大了，早年受限于技术水平，应用比较狭窄，现在很多地方都打算上电推进了，所以做这个的单位也越来越多。中国是打算直接从化学推进时代一步跨入电推进时代，所以以前主打化学推进的502所才那么着急

五月

这个科普好，一下子连技术和市场都科普了

橘子和枪

知止 发表于 2016-1-16 14:50
8 C! B1 h+ [% P* L这科普相当靠谱。不过电推进的市场越来越大了，早年受限于技术水平，应用比较狭窄，现在很多地方都打算上电 ...

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即使是市场较原来大了很多，似乎也容不下三家。
" t+ K* s9 k6 I$ S1 |9 Z8 [2 c
根据一般的市场规律，常常是老大和老二PK，结果把老三给打死了，而目前502就是这个老三。

- h$ t4 L( V, p/ @/ b5 K* u着急啊！！！

雨楼

Mark。。。。。

njyd

知止 发表于 2016-1-16 14:50
这科普相当靠谱。不过电推进的市场越来越大了，早年受限于技术水平，应用比较狭窄，现在很多地方都打算上电 ...

- X% c& |9 N; U) P5 G! v, D电推进的市场越来越大是不同的概念，这种推力实在太小，至少直到现在还只有在天上用的前景，一个国家一年顶多发百把颗卫星，市场没法大。另一种是地面海上用的用发动机发电再用电动机带轮子或螺旋桨，以前也叫电传动（不是电传控制），这因为比机械传动有不少优势，这是用在车船上，市场太广阔了。

橘子和枪

) J( l9 G3 w9 s8 ^& t% n

njyd 发表于 2016-1-17 01:14
电推进的市场越来越大是不同的概念，这种推力实在太小，至少直到现在还只有在天上用的前景，一个国家一年 ...

此电推进非彼电推进，因为这里说的是空间推进问题，应该不会和电传动混淆的。
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* y2 m; i8 ?2 y* {至于说市场越来越大，应该指的是与原来相比，目前国内航天活动越来越频繁，除了传统的卫星以外，还有探月、太空站、深空探测、火星探测等等，还有一些非传统航天机构的发射活动，例如各个高校的小卫星，这些不同的活动对推进的要求还是有很大差别的，一家很难全部吃下来，再加上各个研究所的传统合作伙伴关系等，从而给老二留下了不少机会。
1 l# z7 x) Q9 ?% W( L
但是即便如此，老三活下来的机会还是很渺茫的。
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山远空寒

橘子和枪 发表于 2016-1-17 02:05
此电推进非彼电推进，因为说的是空间推进问题，一般不会和电传动混淆的。
; U" J( T8 j1 f( @  @6 E
. C0 K  d' g1 O" A  y0 I至于知止说市场越来越大，应该 ...

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小书童

这怎么弄的！

陈王奋起挥黄钺

请教一个问题，离子推动发射的是一种极性的离子，那么留下的就是另外一种极性的离子了，时间一长，卫星的整体电中性不就成问题了？ 还是另有管道，悄悄地把另外的离子抛弃掉？

冰蚁

陈王奋起挥黄钺 发表于 2016-2-28 23:16
请教一个问题，离子推动发射的是一种极性的离子，那么留下的就是另外一种极性的离子了，时间一长，卫星的整 ...

: v, r, x# F% \4 V+ }留下的不是另外一种极性的离子啊。

谜团

陈王奋起挥黄钺

冰蚁 发表于 2016-2-29 12:40
留下的不是另外一种极性的离子啊。

5 t; \2 e; `# G没有看懂您的意思。假定正离子都发出了，剩下的不就是负离子了， 久而久之，卫星不就堆积了大量的负电荷了？

冰蚁

% r$ ?2 k% L6 i2 O3 ~

陈王奋起挥黄钺 发表于 2016-2-29 02:35
没有看懂您的意思。假定正离子都发出了，剩下的不就是负离子了， 久而久之，卫星不就堆积了大量的负电荷 ...

原子损失电子变成正离子。正离子出去了，剩下的是电子，哪里来得负离子？ 电子么，电路里都用掉了。

陈王奋起挥黄钺

冰蚁 发表于 2016-2-29 21:06
, @0 m0 |3 [. L原子损失电子变成正离子。正离子出去了，剩下的是电子，哪里来得负离子？ 电子么，电路里都用掉了。 ...

电子是不灭的，一定存在在某个地方啊。

冰蚁

: t/ s/ ~" ~$ O* z2 y% w

陈王奋起挥黄钺 发表于 2016-2-29 10:42
电子是不灭的，一定存在在某个地方啊。

2 E- R- y* \/ w3 f& t( P% s; n  t呃，说电子用掉了是用词不准确。应该是电子的能量用掉了，比如电阻发热。我的理解是自由电子在电路里消耗能量，然后从导带落回价带，重新被原子束缚。电路接地后，那么点电子落入巨大的原子池里。部分原子因束缚电子会有负极性，但是数目太太太。。。。。。。少了。接地点的电势没有可以测量到的变化，依然是0。

橘子和枪

冰蚁 发表于 2016-3-1 00:49
呃，说电子用掉了是用词不准确。应该是电子的能量用掉了，比如电阻发热。我的理解是自由电子在电路里消耗 ...

@陈王奋起挥黄钺

5 D& r0 `/ l1 Q电子是消灭不了的，正离子喷出去了，剩下的电子（负电荷）得有个出路。

简单的说，看第2段中的原理图，在主通道之外，有一个中和器，或者叫阴极，

5 t; Z3 J& G$ V5 x- T$ q不管什么名字，其用途基本一致，给带负电荷的电子一个出路

当然实际情况要比这个复杂，但原理一样的。