奇特的太空推进系统设想——铁磁流体推进器

发布时间 : 2017-12-08     来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  目前火箭、卫星等航天器的推进系统主要是化学推进系统,虽然当前化学燃料推进技术成熟,应用最为广泛,但化学燃料几乎占航天器推进系统总量的90%以上。为适应未来太空探索计划,进一步提高航天器运载能力,需寻找燃效和动率更高的燃料,将飞船、卫星和宇航员送往目的地。为此,科学家提出了一系列设想,包括核能推进、激光推进、离子发动机,甚至于反物质。近年来,美国密歇根理工大学提出了一种奇特的太空推进系统设想——铁磁流体推进器。
  铁磁流体是离子流体,暴露于磁场时具有强磁性,同时释放离子;磁场消失后,它们又回到自然状态。这种现象被称之为“罗森茨维格不稳定性”。美国密歇根理工大学离子太空推进实验室利用铁磁流体这一特性,提出一种全新的微推进器制造方案——让小卫星采用微小喷嘴设计,利用铁磁流体驱动卫星在轨道中机动,并将其研究发现刊登在《流体物理学》杂志上。
  虽然不乏可能性,但研制能够在成本、效率和可靠性之间实现完美平衡的微推进器绝非易事。为了解决这个问题,密歇根理工大学的研究小组开始对铁磁流体进行了深入研究,将其作为小卫星推进技术的可能解决方案。小卫星通常被定义为重量不到500公斤的卫星。随着相关技术的进步,小卫星能够执行一系列以往只能由大卫星完成的任务。在当前的卫星市场,它们的份额不断提高,不久的将来还会有更多小卫星进入太空。
  多年来,密歇根理工大学的里昂·金、罗恩·斯塔尔和伊莱恩·斯塔尔便对铁磁流体的物理学特性进行研究,并得到了美国空军科学研究处的支持。在密歇根理工大学的新闻稿中,里昂表示铁磁流体是一个简单而有效的解决方案,可用于研制可靠的微推进器。他说:“我们正对一种名为‘铁磁流体’的特殊材料进行研究。在将一块磁铁放入磁流体后,它们会呈现出一个美丽的结构——好似长满刺的刺猬。当我们施加一个强电场时,每个‘刺’都会释放出微小的离子喷流。”

施加磁场时,铁磁流体出现尖头

磁场中的铁磁流体,好似长满刺的刺猬

没有磁场情况下,铁磁流体的外观很像石油

  在里昂的帮助下,密歇根理工大学机械工程系博士生布兰登·杰克逊带队,进行了一项实验性计算研究,探寻铁流磁体的动力学特征。他们创建了一个计算模型,了解磁应力、电应力和表面张力之间的关系。杰克逊表示:“铁磁流体微推进器的每个尖头处于放射不稳定状态,我们希望揭示背后的原因。我们意识到,磁场在预调节铁磁流体电应力方面产生很大影响。”
  最终,他们创建了一个模型,用于研制电喷射铁磁流体推进器。常规电喷射推进器利用电荷驱动微小的流体喷流穿过微型针,进而产生推进力,与常规电喷射推进器不同,铁磁流体电喷射推进器可以摆脱微型针。他们设想的推进器能够利用推进剂进行“自组装”,无需依赖脆弱的零部件,基本上做到了“坚不可摧”。除此之外,这种推进器与常规等离子推进器相比还有其它一系列优势。如果按比例缩小,用于小卫星,等离子推进器的可靠性很差。在他们的模型取得成功后,空军科学研究处最近决定与里昂签署第二份合约,继续研究铁磁流体。
  小体积卫星作为当前的热门,未来几年乃至几十年的市场规模将快速增长。毫无疑问,铁磁流体推进器的问世将进一步提升小体积卫星的发展前景。

 
(中国运载火箭技术研究院研发中心根据微信公众号“漫步宇宙”整理)

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