NASA 離子推進器原型在測試中打破紀錄

以50kW輸出的X3離子推進器 Credit: NASA

NASA 為火星任務開發的推進器在最近的測試中打破了多個世界紀錄,開發團隊聲稱這代表該技術已經上了軌道,為 20 年內將人類送上火星做好準備。

X3 推進器是由密西根大學 ( University of Michigan ) 、美國太空總署 ( NASA ) 和美國空軍共同研發。它屬於霍爾推進器,一種藉由加速一束帶電原子,也就是離子,來產生推力的系統。據密西根大學的團隊和 NASA 代表表示,最近於俄亥俄州格倫研究中心(Glenn Research Center)進行的展示中, X3 在最大功率輸出、推力和操作電流等方面皆突破現今霍爾推進器的紀錄。

在 space.com 的採訪中,計畫主持人亞歷克.加利莫爾 ( Alec Gallimore ) 表示:「我們證明了 X3 的輸出可超過 100 千瓦。它的輸出功率範圍很廣,從 5 千瓦到 102 千瓦,電流上限達 260 安培,產生 5.4 牛頓的推力。」這推力比目前世界上任何的電漿推進器更高,比過去的推力記錄 3.3 牛頓高 63%。

霍爾推進器使用電力將電漿噴出噴嘴,藉此產生推力。 NASA 表示這種方法與化學燃料推進器相比,能將太空船驅動到更高的速度;傳統火箭能達到的最高速度為每秒 5 公里,而霍爾推進器能讓太空船達到每秒 40 公里的高速,所以近年研究人員對離子推進在長途太空旅行的應用深感興趣。

高效率的代價

離子引擎也比化學燃料火箭更有效率,可以比火箭使用更少的燃料,把太空人和貨物送到火星。離子推進器常見的燃料是氙,而 NASA 目前正在穀神星(Ceres)軌道上運行的黎明號(Dawn)探測器正是使用這種氣體。

加利莫爾解釋:「簡而言之,離子引擎的里程與燃料比是化學推進的十倍。」然而,雖然這引擎效率非常高,可節省燃料,但其推力很低,所以必須靠長時間的加速來達到高速,此外推力也不足以脫離地球重力,所以不能靠離子推進器發射太空船。

加利莫爾表示:「化學推進系統可以產生數百萬千瓦的功率,而現今的電力推進系統只有 3 到 4 千瓦。」目前,霍爾推進器還不足以驅動載人太空船:「要能夠應用在人類探索任務的系統需要能產生 500 千瓦,甚至是一百萬瓦或更多,這會是傳統電力推進系統功率的二、三十甚至四十倍。」

新設計

這正是研究團隊設計 X3 的目的;加利莫爾團隊針對功率問題,製造了比目前其他系統更大的推進器,還有因應技術上的缺點去開發新設計。加利莫爾說:「我們發現與其用單一電漿通道──產生電漿並排出推進器產生推力的地方──不如在一個推進器中用多個通道,我們稱之為巢狀通道(nested channel)。」加利莫爾聲稱,使用三通道設計,讓工程師能把 X3 做得比單通道的霍爾推進器更小、更緊密。

史考特.霍爾(Scott Hall),一位參與了過去五年 X3 計畫的密西根大學博士生,說這份工作因為推進器的尺寸而別具挑戰性:「它重達 227 公斤,直徑將近一公尺。大部分的霍爾推進器只需一到兩個人就能抬起,但是我們得用起重機來移動 X3 。」

明年團隊會進行更大的測試,意圖證明推進器可以火力全開連續運作 100 小時。加利莫爾說工程師設計了特別的磁力防護系統,讓電漿遠離推進器的壁面防止損傷,也讓推進器可以可靠地運作更長的時間,若是沒有這系統, X3 可能在運轉數千小時後就會出現問題,加了磁力防護的版本可以在最大輸出下運作長達數年。

 

參考資料:

1. Pultarova, T. (2017, October 13). Ion Thruster Prototype Breaks Records in Tests, Could Send Humans to Mars. Retrieved October 21, 2017.

EA
實習編輯,初出茅廬的社會新鮮人,在生活的庸碌中探索理想、生活還有理想的生活的模樣。

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