NASA表示,下一代离子发动机将会非常强大

知新了了 2024-04-28 10:23:16

在太空竞赛期间,美国和苏联的科学家都研究了离子推进的概念。像许多早期太空时代的提议一样,这个概念最初是由康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和赫尔曼·奥伯特等名人探索的,他们是两位“火箭技术的先驱”。从那时起,这项技术已经被深空1号(DS-1)技术演示器、欧洲航天局的Smart-1月球轨道器、JAXA的隼鸟号和隼鸟2号卫星以及美国宇航局的黎明号任务等任务反复验证。

展望太空探索的未来,美国宇航局格伦研究中心(GRC)的研究人员一直在忙于开发一种结合了极高燃油效率和高加速的下一代离子发动机。这些努力导致了NASA-H71M亚千瓦霍尔效应推进器,这是一种小型航天器电力推进(SSEP)系统,将使新型行星科学任务成为可能。在空间物流等商业合作伙伴的帮助下,这种推进器还将用于延长已在轨道上的航天器的寿命。

空间探索和商业空间得益于小型航天器和小卫星的发展。这些任务因其成本效益而引人注目,因为它们需要较少的推进剂发射,可以在规则模型中部署,并利用拼车空间。同样,低地球轨道(LEO)上小型卫星星座的激增,使得低功率霍尔效应推进器成为当今太空中最常见的电力推进系统。这些系统以其燃油效率而闻名,允许多年的轨道机动,修正和避免碰撞。

然而,小型航天器将需要能够执行具有挑战性的推进机动,如实现逃逸速度、轨道捕获和其他需要显著加速度的机动(Delta-v)。执行这些机动所需的推力 —— 8公里/秒(约5英里/秒)的Delta-v —— 超出了当前和商用推进技术的能力。此外,低成本的商用电力推进系统的寿命有限,通常只能处理小型航天器推进剂质量的10%左右。

同样,由于运载能力过剩的火箭(使拼车计划成为可能),二级航天器正变得越来越普遍。不过,这些通常仅限于与主要任务轨迹一致的科学目标。此外,次要任务通常在高速飞行期间收集数据的时间有限。我们需要的是一种电力推进系统,它需要低功率(亚千瓦),并且整个过程中都有高推进剂 —— 这意味着它能够在其使用寿命中使用大量推进剂。

为了满足这一需求,NASA格伦中心的工程师们正在采用过去十年开发的许多先进的大功率太阳能电力推进(SEP)元件,并将其小型化。这些元件是作为美国宇航局月球到火星任务架构的一部分而开发的,其应用包括月球门户的动力和推进元件(PPE)。SEP系统也是深空运输(DST)设计的一部分,该运输工具将在2040年前执行首次载人火星任务。然而,NASA-H71M系统预计将对小型航天器产生重大影响,扩大任务范围和持续时间。

根据美国宇航局的说法,使用NASA-H71M系统的任务可以运行15000小时,并处理超过30%的小型航天器初始质量的推进剂。该系统可以增加次级航天器的覆盖范围,使它们能够偏离主要任务的轨道,探索更广泛的科学目标。通过允许航天器减速并进行轨道插入,这项技术可以增加任务持续时间和研究物体的时间。

这也超出了大多数商业低轨道任务的需求,相关成本通常高于商业任务所要求的成本。因此,美国宇航局继续寻求与商业开发商合作,开发更雄心勃勃的小型商业航天器。其中一个合作伙伴是SpaceLogistics公司,该公司是诺斯罗普·格鲁曼公司的全资子公司,利用其专有的任务扩展飞行器(MEV)为地球同步卫星运营商提供在轨卫星服务。

该运载工具依靠诺斯罗普·格鲁曼公司基于NASA-H71M设计的NGHT-1X霍尔效应推进器。这种推进能力将允许MEV到达地球同步地球轨道(GEO)的卫星,在那里它将与客户的卫星对接,将其寿命延长至少6年。根据太空法案协议(SAA),诺斯罗普·格鲁曼公司正在美国国家航空航天局格伦真空设施11进行长时间磨损测试(LDWT)。前三艘MEP航天器预计将于2025年发射,并延长三颗GEO通信卫星的寿命。

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