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利用地球磁场和离子为卫星提供推动力

热度127票  浏览433次 【共0条评论】【我要评论 时间:2010年7月12日 22:51

  [据美国防御新闻网站报道] 美国海军希望在一年后能够发射一对小卫星,卫星从太空获取电子,利用它们和地球磁场作为推进系统

  海军研究实验室负责“绳索电气动力推进立方体卫星实验”(Tether Electrodynamics Propulsion CubeSat Experiment)的主管Shannon Coffey表示,该系统就像太空中的一个巨型电动机,而其组件就是电流和磁体。两颗小卫星之间拴系有一条长1千米的电线,地球作为磁体。按照设想,这将能为机动卫星提供无限的推力。

  目前卫星只有在有燃料的时候进行机动,燃料占用了发射质量很大部分。如2008年被击落的美国海军间谍卫星其质量大约2268千克,其中的五分之一都是肼燃料。需要燃料意味着卫星必须更大,推动了成本增长。燃料耗尽后,卫星停留在轨道直至地球重力将他们拽入大气层并燃尽。

  工作原理

  电磁动力推进提供了另一种方案。海军研究实验室已经找到了如何使电流在电线上传输的方法。通常来说电线中产生电流要求必须是闭合回路,但这并不能在太空中产生推进力。在地球磁场中,当闭合回路有电流时,磁场会产生从电线一端到另一端的力并相互抵消。为了只产生指向一个方向的力,必须使电流通过电线(这个电线没有形成回路)。但这意味着必须从什么地方获取电子,之后这些电子能流向某处。科学家们通过地球的等离子区构造了闭合的回路。

  本质上讲,等离子区是太空中存在的低密度电子层,但仅在1000千米以上的高空等离子区才能利用。电线的一端安装电子收集器从等离子区收集电子,另一端安装电子发射器将电子释放到等离子区,这样就完成了回路。电线上就能产生力了。(原理:带电线圈切割磁感线会产生力。)

  很小的太阳能电池就能产生足够的电流,并在一公里长的电线上传输。电流产生力推动卫星,卫星切割地球磁场的方向将决定卫星是在加速还是减速,或者变轨。通过改变对磁场的切割方向,卫星控制者可以改变卫星轨道平面。

  即便如此,电动机的功率非常有限。Coffey称2011年的验证计划“将允许我们每天改变5公里的距离。”与此相对的,标准的液体燃料推进每小时就能将卫星推动上千公里。需要解决的另外一个问题是确保太空中有充足的可用于电动机工作的电离子。这种电动机最好在地球上500-1000千米的高空工作。再往上离子就会变得相当稀薄。但这并不能阻碍卫星在高空运行。它们能建立椭圆轨道,并且只在卫星靠近地球和电子相对较多时使用发动机。椭圆轨道有很大优势。卫星能远地点短暂停留。这对于通信、监视和地球遥感卫星特别有用。

  

  系统应用

  电动推进还可能解决另一问题——从太空清除轨道垃圾。其中一个方法是使用推进系统与碎片交会并抓取,再用推进系统将其带入另一可下降的轨道,逐渐在大气层中燃尽。 事实上,美国国防预先研究计划局(DARPA)将研发“绳索”动力的卫星,以捕获轨道碎片甚至小行星,并将其清除至轨道外。电动推进系统是从事此类工作的理想方式,因为系统能在不消耗推进剂的情况下长期提供推力。

  推进系统的另一项用途是保持卫星在大约300千米的低轨道位置运行,在这个轨道位置上的卫星能够被拖拽以避免相撞。利用电动推进,卫星能克服托力作用,并停留在轨道上,研究电离层,进行低空监视和执行其它目前不可能完成的任务。

  现在甚至有提议,将该系统附着于国际空间站,就能减少或消除数吨确保空间站在轨停留的燃料。

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