《流浪地球》上映 离子发动机能推动地球流浪?

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  在小说《流浪地球》中,当人类面临提前衰老的太阳吞没地球的威胁时,“地球派”在全世界建起了诸多地球发动机,这些发动机形成了诸多直插天际的离子体巨柱,发出如日光灯管一样的蓝白色的颜色。这些发动机的工作使地球停止转动并离开之前的公转轨道,踏上流浪之路。

  在真实的航天活动中,火箭起飞时从尾部喷出的火焰,也是由火箭的发动机产生的。从表面上看,这些熊熊燃烧的烈焰似乎比那些笔直的光柱更具气势。然而,大刘(《流浪地球》作者刘慈欣)为地球设计的这种发动机方案不但更具备玄幻的科技感,产生的推进效果也要比喷火的化学能发动机要高。虽然人们目前还不具备制造出足以停止地球转动的这类发动机的本领,但基于同样原理的发动机,早已经在各类卫星上得到了广泛应用,还被认为是未来最有希望担起人类迈向深空重任的发动机。

  这种发动机就是本文要介绍的主角——离子电推发动机

  化学能发动机有局限

  一枚体态巍峨的火箭腾空而起后,最终却只能将重量相对于火箭小很多的航天器送入轨道,如果目的地设定于火星乃至更远,能够运载的航天器质量则更低。

  例如,去年成功首飞的猎鹰重型火箭的起飞时的整体重量达1420吨。按照SpaceX公布的数据,即便放弃科技感极强的助推器、芯一级回收功能来换取更高运载能力,这种火箭也最多也只能将63.8吨的载荷送到距离地面很近的轨道上。如果将目标瞄准火星或冥王星,其运载能力将降低为16.8吨和3.5吨,仅相当于起飞重量的1.2%和0.2%。

  (猎鹰重型火箭发射。图片来源:wikipedia)

  这样一种尴尬局面的出现并非马斯克和他领导的SpaceX技术不精。事实上,目前任何一种已经服役的火箭均存在着运载有效载荷的重量远小于火箭起飞重量的问题,大部分起飞质量都消耗在了携带的推进剂上。同时,在轨工作的卫星、探测器也要讲一大部分重量分配给携带的推进剂,而不得不减少真正能够执行任务的有效载荷的质量。在地球附近工作的通信卫星,携带的燃料要占到其发射重量的60%左右。

  而造成这个问题的原因,则要从火箭获得动力的原理说起。

  设想,一台小车上装载了一门大炮。根据牛顿第三定律和动量守恒定律,当大炮开炮时,小车会向大炮炮弹发射方向的反方向加速。对于同样的炮弹,如果从炮口射出的速度增加,则将小车加速到同样速度消耗的炮弹则会减少。

  (如果增加发射药的用量,使得弹丸的出膛速度增加,炮身所在的小车将会向后倒退的更快。图片来源:GIPHY)

  在宇宙航行中,发动机喷出的推进剂就好比上面故事中的炮弹,而火箭、卫星飞行器则好比上面故事中的小车,推进剂喷出时所产生的反作用力使飞行器加速或减速。要进入特定的轨道,就必须实现特定的速度增量或减量。例如,从地面起飞进入环绕地球的轨道,速度增量一般要达到8公里/秒。而要从这个轨道再进入奔向火星的轨道,则知道要再得到4.5公里/秒的速度增量。在执行同样的任务时,如果要减少使用的推进剂的质量,就必须增大推进剂从喷口中喷出时的速度。目前广泛使用的化学能发动机,都是通过将推进剂中的燃料和氧化剂混合燃烧后再向外喷出的方式,将燃料的化学能转化为动能。在这种原理下,推进剂的喷出速度到达3.5公里/秒后就很难再提高了。这就是使用这类发动机的火箭和飞行器携带燃料的量难以降低的原因。

  (使用化学能发动机的卡西尼-惠更斯号探测器的发动机正在工作,喷出火焰。图片来源ESA)

  离子电推发动机效率高

  NASA所属的戈达德航天中心以世界航天理论的先驱者、纽约大学教授罗伯特·戈达德的名字命名。在戈达德有生之年,纽约时报曾经嘲笑这位想用火箭飞向月球的教授“缺乏物理学常识”,而在阿波罗11号登月成功后,纽约时报又不得不发表了一则更正,承认事实已经证明他们对戈达德的批评是错误的。罗伯特·戈达德加收无愧航天先驱的称号,因为他除了进行了人类史上第一次液体火箭飞行试验外(虽然只飞了56米),还在20世纪初就前瞻性的首次提出了利用电磁场加速离子来推进飞行器的设想。

  (离子电推发动机原理示意图,图中两块绿色的板即为加速用的栅格板。图片来源Wikipedia)

 
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