无工质微波推进器实验之一:引言

深空网:霍尔推力器、离子推力器和电弧推力器等传统的等离子体推进装置是目前国内外研究与应用最多的空间推进装置。与空间学推进装置相比,它们具有比冲高和寿命长的特点.这些推进装置可用在卫星的姿态控制和位置保持的动力系统、深空探测器的主推进系统中在空间飞行任务中,传统的等离子体推进装置必须把大量的工作介质电离成等离子体,再采用某种加速机理把其中的离子高速引出产生推力。这种工作机理决定了等离子体推进装置和空间飞行器之问存在羽流干扰问题.太阳帆推进是一种无工质推进装置,只要太阳帆能够收集到足够的太阳辐射能,它就能够推动空间飞行器不断地向前飞行.太阳帆推进的概念提出于100年前,但是随着微电子和薄膜材料技术的出现,直到现代人们才开始热衷于开展太阳帆的理论和实验研究。

2010年日本发射了一个被称为IKAROS的空间飞船,历史上首次在空问证实了太阳帆推进的可行性。微波帆类似于太阳帆,是另外一种无工质推进装置。该装置以一个巨大的凹面金属薄膜为微波帆,在空间飞行时受地面微波源的辐射能流作用而不断向前行驶与传统的等离了体推进装置相比,太阳帆和微波帆不需要工质就能正常工作,因此能够为空间飞行器提供更好的机动性能,同时可以避免携带庞大的工质储箱并消除羽流和飞行器表面相互干扰的问题。

无工质微波推进装置结构示意图

如上图所示,西工大的研究人员设计研制了另外一种无工质推进装置——无工质微波推力器系统。该系统由集成在一起的微波源、环形器、波导、圆台微波谐振腔和负载组成.其中圆台微波谐振腔也是推力器腔体,是产生推力的关键部件.与太阳帆和微波帆不同,该系统不是利用开放空问内的辐射能产生推力,而是利用作用在圆台微波谐振腔内的电磁压强梯度形成净推力.这种工作模式可以使系统具有结构紧凑、效率高且推力水平容易控制的特征。

英国卫星推进研究有限公司(SPR Ltd)的Roger Shawyer在无工质微波推进研究方面开展了重要的探索。Roger Shawyer把无工质微波推进装置称为电磁驱动器(emdrive), 2003年他研制了第一台emdrive,其直径为160 mm,消耗微波功率为850 W,采用天平梁称重的方法获得推力实际值为16 mN。2006年Roger Shawyer研制了第二台emdrive,其直径为280 mm,消耗功率为1200 W,采用水平和悬挂式推力测量方案获得推力实际值为250 mN。 2007年Roger Shawyer在一个低阻力气悬浮转动平台上开展了动力实验,实验结果是第二台emdrive消耗微波功率1000 W时,推力达287mN, 100 kg重的气悬浮平台被加速到2 cm/s。

2008年西北工业大学开始研究无工质微波推进装置,利用经典的电磁学理论对无工质微波推进装置的推力来源进行了解释,从理论上论述了装置的可行性。西北工业大学还提出一套基于电磁数值模拟分析和实验调谐的无工质微波推进圆台微波谐振腔的设计方法,同时设计研制出国内第一套无工质微波推进装置。

英国人虽然对emdrive进行了开拓性研究工作,但是他的推力测量方案缺乏科学描述,而且至今未在正式的学术期刊上发表相关的研究论文。国内从理论和实验上对无工质微波推进装置进行了科学研究,但是还没有从实验上科学地给出无工质微波推进装置的推力测量结果.为此本文采用国内的专利设备——电火箭的随遇平衡推力测量装置对国内设计研制出的无工质微波推力器的净推力进行测量,从而在实验上进一步验证无工质微波推进装置的可行性。

注:作者乃西工大航天学院教授。

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