NASA 離子推進器原型在測試中打破紀錄

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。

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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。」

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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.