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你好洛兹加在公司博客文章作者中扮演的角色有些不同寻常。1月，小行星安全奥林匹克运动会在车里雅宾斯克沸点举行，在此框架下，南乌拉尔州立大学的卫星制造商兼老师Valery Bogdanov和Ruslan Peshkov为学童讲授了航天器发动机。该材料是对讲座以及我与之交谈的详细处理。

甲烷氧气燃料定向发动机，美国国家航空航天局照片 /约翰·格伦研究中心

选择的财富

有关火箭制造的第一个书面证据可以追溯到13世纪。仅仅四个世纪之后，多亏牛顿，人类才了解它们的工作方式。提示：火箭不是“推开”的-在真空中没有要推开的东西，而是由于物质沿相反的方向释放而沿一个方向加速。在20世纪，制造人造卫星的人们提出了许多移动选择，甚至有些选择对大规模弹射无效。卫星引擎的主要类型可以分类如下：

经常发生的是，在我们的世界中，没有一种适用于所有情况的“理想”引擎，“为航天器选择引擎”的任务可能有许多不同的条件，从而使某些选择不可接受或无效。为了能够进行任何比较，我们首先需要找到进行比较的标准。对于发动机，可以区分特定的脉冲和推力。

特定冲动-衡量发动机效率的标准。根据定义，这是引擎可以通过消耗1千克燃油来产生牵引力的时间。如果我们以千克为单位测量发动机推力（更准确地说，以千克力为单位），则特定冲量将以秒为单位进行测量，如果推力以牛顿为单位进行测量，则测量单位将为每秒米。从秒到米/秒，反之亦然，可以通过乘以或除以重力加速度来计算比冲。如果以米/秒为单位的变化表示为物质在喷嘴出口处流出发动机的速度，则可以更容易理解。显然，比冲越大，发动机将越高效。

推力实际上是一个服务参数甚至是一个限制。但是，非常高效的发动机会产生一点牵引力，因此无法用于需要进行较大速度变化且时间无法延长（或分成多个发动机启动）的机动的情况。

这两个值的组合使我们能够建立每种情况下最合适的发动机的图表。

资料来源：航天器反应控制系统，Belyaev N.M.，Belik N.P.，Uvarov E.I. -M .：机械工程，1979年。

冷气发动机

如果您对航天历史感兴趣，那么您就会知道加加林的“月球3号”和“东号”是天然气发动机。现在，卫星已经放弃了化学发动机，并正在转向电抗性，由于牵引力弱和比冲低，燃气发动机似乎是过时的，但事实并非如此。直到现在，设计仍被发送到太空中，看来过时的引擎比其他引擎更好。首先，压缩气体是无毒的，非常适合宇航员的火箭背包-可能的泄漏不会使机组人员中毒，并且不必停用安装在防护服上的废气。

布鲁斯·麦坎德莱斯（Bruce McCandless）在1984年测试MMU的安装，NASA照片

冷气推进系统的设计简单可靠，除了气缸，电磁阀和管道外，无需考虑其他任何因素。如果您有足够小的特征速度（delta-V）储备，那么此设计将比更复杂的选择更容易。定向气体发动机具有出色的动力特性-阀门非常快（反应时间可达20毫秒），并且不需要催化剂的预热。由于这些优点，它们非常适合精确的低推力定向系统，因此，例如，盖亚望远镜随气体定向发动机一起飞行。该LISA探路者为了测试重力天文台在太空中工作以及需要非常精确的运动的可能性，在飞行中将两种发动机选件-冷气和带场发射的电选件一起成功地进行了测试。

发动机对冷气的方案。红色是气压高的区域，蓝色是气压低的区域，

但是，当然，在燃气发动机上，推力不会很大，速度也不会有很大变化-压缩氮气的比冲不超过80秒，而且随着罐内压力的降低而减小。压缩氢气的比冲超过270秒，但是由于密度低，推力不合理。

升华引擎

在左下角的图中，有升华物质用作工作流体。也就是说，罐中有固体，当加热时，固体会绕过液体立即进入气体。在日常生活中，您可能会遇到“干冰”-二氧化碳冻结成固态。由于压缩气体发动机可以提供较大的推力和特定的脉冲，因此实际上取代了升华发动机。但是这个概念根本没有被放弃-十分之初进行的NASA研究认为，只要现场提取工作流体，这种发动机就很有前途。火星上的二氧化碳冰，外太阳系中的甲烷和一氧化碳，小行星和彗星的挥发性物质-从理论上讲，所有这些都可用作当地生产的燃料。

美国国家航空航天局（NASA）提出的一种概念，是使彗星偏离危险路线并使用本地资源作为工作流体。

单组件引擎

这不是船上的大火，而是定向系统中定期排放的过氧化氢，联盟号MS-02降落，NASA / Bill Ingals的照片

在某些条件下，某些物质会随着热量的释放而分解，并且分解产物非常适合将它们引导到Laval喷嘴中并获得牵引力。设计仍然很简单，只有一条燃料供应管线，在燃烧室中混合各组分没有问题，温度不需要复杂的冷却，但是比冲已经比冷气发动机高。

单组分发动机图浓缩过氧化氢

能力即使在太空探索之初，也可以通过简单的铁催化剂分解成大量的热量并释放出水和氧气，使其成为一种流行的单组分燃料-自1957年以来，R-7系列火箭的第一级和第二级发动机的涡轮泵仍在处理过氧化物的分解。联盟号飞船的第一个版本的定向引擎一直在研究它，直到现在，它一直被用来定向下降的飞行器。浓的过氧化物无毒，但是如果与皮肤接触会引起灼伤，如果管线被污染会爆炸。然而，它将无法使用数十年甚至数十年。特定脉冲相对较小，在150秒左右。由于后两种特性，过氧化物现在很少使用。

肼牵引电动机1 Newton，制造Arianespace

肼在加热到200-300°C的催化剂存在下分解。由于需要预热，发动机的动力下降，肼具有剧毒，但由于最高比脉冲为230-240秒，并且可以长期存放，因此对于单组分发动机来说，它仍然是一种流行的选择。

一氧化二氮在催化剂存在下但在较高温度下也可分解，这使发动机的设计复杂化。但这是很好的，因为它无毒，不窒息，不引起灼伤，不爆炸，不引起腐蚀并且可以保存很长时间。在斯坦福大学分别为成功测试了发动机的推力高达2牛顿的一氧化二氮，在高达1225°C的温度下运转了一个多小时都没有破坏催化剂。英国萨里大学（University of Surrey）（英国）发表的一篇文章表明，在520°C的温度下，一氧化二氮在没有催化剂的情况下会分解，因此工作温度可能会更低，这使得发动机能够自我维持分解。不幸的是，一氧化二氮的比冲很低，高达170秒。

斯坦福大学一氧化二氮实验催化室

肼的毒性导致人们研究了更多的外来选择，例如二硝酰胺铵（ADN）或硝酸羟铵（HAN）。这些化合物的比冲甚至比肼大，比它们的毒性小得多，但是在催化室中需要高温。

肼经典

该航天器应工作很长时间，因此其燃料应能够存储多年。如果您需要大量的牵引力和足够大的比冲，那么最发达和熟悉的选择是基于不对称二甲基肼（作为选择，单甲基肼或与肼的混合物，所谓的Aerosine）和重氮四氧化物的两组分发动机。

200 N推力定向发动机在压力室内的测试，照片由 Arianespace 摄

这种燃油蒸气具有许多优点-燃油在室温下处于液态，可储存多年，接触时会自动点燃，也就是说，它不需要点火系统，在320秒内具有良好的动力和良好的比冲。但是，当然，并非没有缺点。两种成分都具有剧毒，会引起腐蚀，并需要特殊的材料。而且，由于现在有两个部件，所以现在我们有两个水箱，两个供应系统，即出现故障的可能性高一倍，并且出现了在燃烧室中混合这些部件的系统。例如，在2010年，由于增压阀故障，明月号探测器无法进入金星的轨道。结果，混合物中出现过量的氧化剂，燃烧室和喷嘴的温度升高，并且它们被不可修复地损坏。该设备仅在五年后就进入了金星轨道，并且在单部件定向发动机上执行了非常长的制动动作。

Akatsuki探测推进系统图，来源

由于高推力和高比冲的结合，这种燃料对上的发动机在有人驾驶飞船和ISS供应卡车上几乎是无可争议的。直到最近，它们还是行星际飞行任务和对地静止卫星的熟悉经典，但是现在在这些地区，它们正挤满了电推进发动机。

备择方案

使用低温组件的困难并没有阻止设计人员。使用无毒组件的发动机的独特示例是Buran组合推进系统，该系统使用了液氧和煤油。使用这种燃料对可提供很大的功率比（比脉冲在358秒范围内，高于UDMH + AT），无毒成分使船舶的运行更安全，更环保，还允许在氧气和动力供应系统中使用氧气。

ODU“ Burana”，一个大罐液态氧清晰可见，来源

特殊的技术解决方案：在加油前将氧气深冷至-210°C，在油箱中不断搅拌，并在送入定向发动机之前进行气化，这有可能创建一个推进系统，该系统可以提供长达30天的飞行时间。

在2000年代中期，美国宇航局（NASA）正在考虑为月球舱和载人航天器使用甲烷-氧气燃料对。甲烷比氢更容易以液态形式存储，比冲比UDMH-AT高。该船成为猎户座，最终获得了肼发动机。但是甲烷发动机的想法不会消失在任何地方，因为对于使用本地收集的资源运行的发动机来说，甲烷仍然是一个有趣的选择。

电气未来

2020年，提交专家认为，应该是新的商业卫星一半使用电推进引擎的一年。考虑到它们是大规模发射的Starlink和OneWeb卫星上的卫星，现在这个估计看起来很保守。 UDMH + AT上的对地静止卫星最多将在一周内到达目标轨道，但其初始质量的一半将用作燃料。在电动发动机上，轨道的上升将需要长达六个月的时间，但人造卫星的重量将减轻40％。为大功率中继器安装的大型太阳能电池板与电动喷气发动机完美结合。类似的电击袭击发生在科学仪器的阵营中-2007年启动的Dawn探测器具有11 km / s的特征速度记录，这是化学发动机无法达到的。所有这些非凡的结果都是可能的，这是因为电动喷气发动机的比冲比化学冲击大一个数量级，并且对于不同的型号，其冲激范围在数千秒之内。但是，当然，所有东西都有价格-电动喷气发动机的推力以毫牛顿为单位，并且可以在家庭层面以小硬币的重量来表示。

最常见的有两种类型的电喷引擎：

离子引擎通过电子轰击使气体电离，并在电场中释放出产生的离子。

在通常也被称为等离子发动机的霍尔效应设计中，工作流体被馈送到施加有电势差的环形腔室中。中性气体被电场离子化并加速，从发动机以高速喷射出来。

离子发动机具有更大的比冲，但迄今为止存在耐久性方面的问题：由于加速光栅和聚焦光栅之间的巨大电位差以及随着时间的流逝，光栅会破裂。因此，今天，霍尔效应发动机具有许多运行优势。

也有一些不太常见的选项。例如，电热发动机，也是电加热发动机，其中燃料通过电流加热而加速。在第一代铱星卫星上（共制造了98枚），安装了 7台推力为1牛顿的单组分发动机和1台效率更高的推力为0.369 N的电加热发动机，所有发动机均由装有肼的坦克提供动力。

电加热发动机生产Aerojet Rocketdyne

Electric推进发动机是一个很有前途的话题，在没有很大发动机推力的情况下，您将可以做更多的事情。最终，当核反应堆飞入太空时，其巨大的能源能力以及特定的电力推动力将开辟新的视野。

太不灵活

固体推进剂发动机正逐渐失去航天器的知名度。设计的简单性和高牵引力无法补偿单个夹杂物，而且远非创纪录的特定冲动（约290秒）。但是他们有一个光荣的过去：在第一批先驱者中，他们将使用小型固态发动机进行路径校正，在载人水星和双子座上用作制动发动机，在验船师的月球自动探测之前被打开，并且很长一段时间以来，它们被用作远地点引擎，从接近地球静止的地球过渡轨道转移卫星。

第一代Syncom对地静止卫星图，左中顶顶点引擎

异国情调

不仅可以用电加热工作流体。核反应过程中释放了大量的热量，并在50年代提出了冲压喷气发动机的想法。氢气本应进入反应堆堆芯并被丢弃。特定的脉冲预期在900秒左右。开发是在美国的海洋两岸-NERVA，在苏联的RD-0410进行的，但最终它们被淘汰了。

NERVA发动机

还有更多奇特的设计：脉冲炸药，基于核燃料盐的发动机，气相核发动机等，但到目前为止，它们还没有超出图表。

存在更环保的加热概念，例如太阳能或激光。在月球表面上，白云石白天会加热到100度以上，因此用于加热工作流体的日光集中原理是真实的，但是如果没有非常轻的镜子，它将失去传统化学引擎的系统总质量。

太阳蛾实验卫星概念，来源

为了改变速度，上述所有选项都使用了相反方向的物质释放。但是有些设计没有它。最著名和成功的是太阳帆。 IKAROS航天器与Akatsuki探测器一起发射到金星，并于2010年6月10日发射了14x14米的帆。帆的形状由设备的旋转支撑，方向由边缘处的LED控制，以改变反射率。该实验卫星成功飞越金星，到2013年，由于帆的作用，它的速度改变了约400 m / s。

减少IKAROS布局

太阳帆叶片不是一件容易的事，它必须打开，理想情况下必须没有折痕和下垂，以确保强度和可控性，以使无规微陨石不会对任务和耐用性造成损害。有一种可能更可靠，更有效的选择-电帆。不用打开脆弱的面板，而是打开细针或电缆，而是在卫星上放置一个电子枪，该电子枪发射出电子，因此，卫星本身和电缆会获得正电荷并排斥太阳风离子。不幸的是，实验性的爱沙尼亚文库ESTCube-1未能在太空中打开帆，而芬兰的Aalto-1去年应该开帆，但目前尚无消息。

电帆的工作原理，Alexandre Szames的插图

绳索可用于在地球磁场中制动，或者相反，可用作发动机。如果我们将导电电缆的末端放开并放出电子发射器，则电缆中将出现电流，卫星将开始减速，而不会消耗燃料。而且，如果您反转电流方向，则可以加速。不幸的是，日本的HTV-KITE实验失败了-电缆没有松开。

导电电缆被动制动的原理

展开电缆并展开最终系统后，可以将旋转力矩转换为速度，并在适当的时候结束负载。因此，他们成功地（即使以后找不到）从Photon-M3设备返回了Fotino胶囊。从理论上讲，旋转电缆系统可用于在轨道之间移动货物，但到目前为止，此类系统仅适用于科幻小说（例如，尼尔·史蒂文森，塞米维耶）。

退绕电缆时“ Photino”和“ Photon-M3”的相互位置

结语

二十一世纪的卫星引擎有望与二十世纪一样有趣-大量不同的概念有望带来令人兴奋的新实验，并朝着许多不同的方向发展太空引擎。

卫星的火焰和冰车