航天:BepiColombo航天器將採用目前最強大的離子發動機探索水星

少數航天器使用離子發動機到達目的地,但沒有一艘航天器的發動機像BepiColombo航天器的發動機那樣強大。BepiColombo是歐洲航天局(ESA)和日本太空探索機構(JAXA)的聯合任務。它於2018年10月20日發射,經過了數週的飛行調試。週日,它第一次打開了強大的離子推進器。

航天:BepiColombo航天器將採用目前最強大的離子發動機探索水星

“我們信任推進器,他們沒有讓我們失望。——岡瑟·哈辛格,歐洲航天局科學主任。

BepiColombo由三部分組成。它有兩個軌道器,水星行星軌道器(MPO)由ESA建造,水星磁層軌道器(MMO)由JAXA建造。第三部分是歐洲航天局建造的水星傳送模塊(MTM)。MTM是飛船的推進部分,包含飛船的四個離子引擎。

當BepiColombo在週日打開引擎時,經過了一週多的測試。每一個推進器都是單獨發射的,並經過仔細的監測和測試。這是離子引擎第一次在太空發射。

“電力推進技術是非常新穎和極其精細的,”BepiColombo航天器運營經理Elsa Montagnon解釋說。“這意味著BepiColombo的四個推進器必須在發射後進行徹底檢查,緩慢地逐個打開,並密切監測它們在飛船上的功能和效果。”

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離子發動機的測試被精確地計時,以配合航天器任務中的一個通訊窗口。在這段時間內,BepiColombo仍然可以連續看到地球上的天線,使地勤人員能夠在關鍵的發動機測試期間與航天器保持通信。

這個通訊窗口在任務期間只會出現一次,這是唯一一次詳細檢查離子引擎的機會。一旦12月中旬到來,而且發動機的點火更加常規,航天器的位置意味著天線將不會指向地球,因此任務操作者將無法獲得與航天器相同的鳥瞰圖。

“看到推進器第一次在太空工作是一個激動人心的時刻,也是一個巨大的安慰。”——歐空局運營主管保羅•費裡(Paolo Ferri)。

第一臺發動機於11月20日試車,經過一段時間後,進入全油門狀態。它保持最大功率5小時,然後對其他三個引擎重複這個過程。在整個過程中,離子發動機的性能被精確地監控。飛行動力學小組確定,在前兩次發射中,飛船的表現偏差在其預期值的2%以內。對最後兩次測試正在進行中,但如果是同樣的效果,那麼BepiColombo已經走上正軌。

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“看到推進器第一次在太空工作是一個激動人心的時刻,也是一個巨大的安慰。”BepiColombo 7年的水星之旅將包括22個離子推力弧——我們絕對需要健康且性能良好的推進器來完成這次長途旅行。“每個推進器燃燒的電弧持續時間最長可達兩個月,與持續數分鐘或數小時的傳統高能化學燃料燃燒相比,燃料越少,加速效果越好。”

第一個常規的電力推進推力弧將於12月中旬開始,引導BepiColombo沿行星際軌道運行,並在2020年4月與地球擦邊之前優化其軌道。此後,它將兩次飛越金星,分別在2020年和2021年。然後,從2021年到2025年,它將六次飛越水星。2025年12月,這兩個軌道器將與水星轉移模塊分離,進入水星軌道。

BepiColombo上的離子發動機是四個QinetiQ T6離子推進器。它們單獨或成對運行,提供最大的聯合推力290mn (millinewtons),這使得它成為太空中最強大的離子發動機。相比之下,美國國家航空航天局(NASA)的曙光號(Dawn)宇宙飛船使用的Nstar離子引擎只能產生92mn的推力。

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BepiColombo的離子引擎不僅是航天器上使用過的最強大的,而且是一種突破性的設計。QinetiQ T6柵格離子推進器也被稱為太陽能電力推進系統(SEPS)。因為它是由太陽能驅動的,所以它是一個超級高效的系統,並且能夠以最小的燃料消耗達到最大的速度。從視覺上看,離子引擎發出的藍光能讓人平靜下來。

在離子引擎中,什麼也沒有燃燒。它們利用電來推動燃料中的正離子,也就是氙氣,從而產生推力。氙並沒有被燃燒,事實上,它也不能被燃燒。但是離子引擎有一個妙處。雖然它們產生的推力不大,但在太空中是可持續的。在BepiColombo的例子中,推進器的燃燒可以持續兩個月,在這段時間內它們會持續加速。

“我們信任推進器,不會讓我們失望。歐洲航天局科學主任岡瑟·哈辛格說:“我們現在正通過電動裝置前往水星。“這讓我們更接近揭開這顆神秘最深處行星的秘密,並最終揭開太陽系的形成之謎。”


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