欧欧空空局局爆爆出出黑黑科科技技，，无限燃料造福军民用低轨卫星

+ 张雪松

众所周知，起传统火箭发动机的比冲不高，卫星需要进行机动时，比如从同步转移轨道（GTO）变轨到静止轨道（GEO），得装上大量的燃料才行。科学家们发明了电推进系统，电推的比冲要高得多，最低的电热型也有900多秒，是比冲最高的氢氧火箭发动机的两倍，而离子电推和霍尔电推的比冲则更高。电推的研制和应用极大地提高了人类的航天能力，比如现在的载人火星任务，推进部分只需要SLS火箭发射一个40吨级的电推深空运输器（DST），而传统方案至少需要发射6、7枚重型火箭。

电推系统靠喷出高速的带电粒子产生推力，但这些粒子可不是空穴来风，而是来自携带的工质。综合各方面因素考虑，电推发动机工质基本都用“氙”这种稀有气体。氙虽然在大气中相当稀少，但供应电推使用还是没问题的，问题在于即使是高比冲的电推发动机，等效比冲也就是3000到4000秒，虽然比化学火箭发动机是提高了大约10倍，但受携带重量所限能提供的总冲量还是相当有限的。

比如欧洲著名的GOCE卫星，它在250公里高度工作，精确测量地球重力场，为了抵消高空大气阻力使用了电推系统，携带的40千克氙让它活跃了5年之久，但用完这些工质它也就只能坠落了。

人心总是得陇望蜀，普通电推发动机工作受到携带工质数量的限制，要是有工质无限的电推该多好呢？

这种概念并非白日梦，欧空局的工程师们最近研制出了吸气式电推：根据欧空局网站3月5日的报道，欧洲工程师们成功实现了世界首次吸气式电推发动机的点火！

吸气电推想象图

吸气式发动机对于航空航天领域并不陌生，将来我国的空天飞机就使用吸气式发动机，毕竟火箭发动机比冲实在太低了。虽然原理类似，但实在难以将“关西大汉”般张着大嘴吸气的喷气发动机，和“小家碧玉”般几十毫牛推力的电推发动机联系到一起。那么吸气式电推到底是如何工作的呢？

虽然一般把100公里高度的冯卡门线定为大气层和太空的分界线，但100公里以上仍然有大量空气分子，高空稀薄空气的阻力也是让卫星飞船等人造航天器轨道衰减乃至坠落的主要原因。

吸气式电推不携带传统的氙工质，它被设计为在大气高层或者说超低轨道上工作，利用搜集到的空气分子做工质，取代了专门携带的氙工质，从而获得超低轨道长时间机动飞行的能力。欧空局的吸气式电推由位于意大利的Sitael公司研制和试验，设计上在距离地面200公里高度飞行，Sitael公司的真空室能模拟200公里高度的真空环境，并利用粒子流发生器模拟迎面而来的高速空气分子，这台冲压电推或者说吸气式电推就在这样的环境下进行了试验。

作为冲压电推发动机，这台发动机并没有阀门或是其他复杂结构，设计上的挑战主要是研制新的进气道收集空气分子，值得一提的是，设计进气道的公司是波兰的QuinteScience公司。Sitael公司研制了双级推进器，它既可以使用传统氙工质工作，这时发动机喷出蓝色的“尾焰”，也可以使用空气分子。该公司对进气道和电推的匹配做了全面的计算机模拟，并成功将电推和进气道整合起来。试验中发生器产生了氮氧混合的稀薄空气，吸气式电推吸入空气并喷出紫色火焰，最终获得了吸气式/冲压式电推的首次成功点火。

Sitael公司随后进行了多次点火试验，测试证明了这种新概念电推发动机的可行性。随着他们的成功，吸气式电推不再是科幻小说或是论文中的概念，而是活生生的现实。随着研究和试验的进一步深入，吸气式电推发动机被大范围装上超低轨道卫星，支持各种超低轨道/临近空间的航天飞行任务，将变得可以期待。

说起超低轨道任务，现在低轨道通信星座更是热门：SpaceX公司的低轨道通信星座第二阶段要在340公里高度部署7518颗V波段通信卫星，相比于1100公里高度的Ka/Ku波段卫星，它将进一步降低通信延迟。SpaceX公司刚刚发射两颗Ka/Ku测试星，第二阶段星座还遥遥无期，如果吸气式电推发展顺利的话，未来使用吸气式电推进一步降低轨道高度，缩短通信延迟也是极有可能的！

吸气式电推在民用领域前途光明，它在军用领域同样大有可为，我国的快舟一号卫星轨道高度低，使用化学发动机来维持轨道高度但同时牺牲了一部分寿命，如果能用上吸气式电推发动机，快舟一号就能在更低的轨道上工作更久，提供更清晰的遥感卫片！如果大型遥感卫星能用上这种新概念电推发动机，在200公里甚至120公里高度（KH-8近地点）长时间飞行，那卫片分辨率和质量将进一步提高！

吸气式电推发动机样机

吸气式电推发动机原理

吸气式电推发动机尾焰

普通电推发动机尾焰

真空室内的吸气式电推发动机

毫不夸张地说，如果此种吸气式电推发动机将来投入使用，无论是通信、导航、遥感卫星，还是更遥远的高超音速飞行器都将获得长足的发展，现在冷清的临近空间区域也将得以获得更充分地开发。