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知識大圖解:離子推進器如何推動太空船

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實現科幻小說裡的神奇科技

離子推進器的研究始於1950年代,當時NASA的格蘭研究中心(Glenn Research Center)率先為火箭設計離子推進器。

離子推進系統透過陰極管把電子送到推進器裡。原本就帶負電的電子在放電腔裡與推進劑(通常是惰性氣體氙)接觸,再被強力電磁鐵所吸引。自由電子碰到推進劑裡的中性原子時,氙會分裂成兩個帶負電的電子和一個帶正電的離子。

離子會被拉進離子光學系統裡,也就是包含數千個同軸孔的電極。靠近出口的那端帶負電,靠近火箭的那端帶正電。帶正電的離子會流向帶負電的那一端,壓縮並形成離子流。離子流從推進器末端噴出,提供推動火箭所需的動力。

為了讓推進系統整體維持在既非正電也非負電的情況,一條稱為中和器(neutraliser)的陰極管會把帶負電的電子打進離子流。電子與帶正電的離子混合在一起,使排出的廢氣保持中性。

離子推進器最大的好處是推動火箭的速度比化學推進器快了許多。已退役的太空梭極速是每小時2萬8000公里,離子推進器可讓極速達到每小時32萬2000公里!

遺憾的是,離子推進器的缺點是推力很小,只能製造0.5牛頓的力(0.1磅),差不多等於手裡拿著10枚新台幣五圓銅板。因此加速極度緩慢,不過可持續很長的時間。

更持久、更有力、更快速

離子推進器的兩大好處是續航力與推動火箭的速度都超越以往。

NASA的氙離子推進器(Evolutionary Xenon Thruster,簡稱NEXT)是全球最先進的推進器之一。它在一場供能時間的實驗中持續運作4萬8000小時,長達五年半以上。

實驗過程中,NEXT推進器只用了870公斤燃料,還不到傳統推進器的十分之一,後者消耗的燃料是1萬公斤。

減輕重量可使小型太空船也能執行太空任務,或是讓大型太空船進行時間超越以往的長期任務。

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第04期(2015年1月號)
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