說起傳統火箭發動機，我們都知道它的比沖不高，衛星要是進行什麼機動，比如從同步轉移軌道（GTO）變軌到靜止軌道（GEO），得裝上大量的燃料才行。科學傢們發明瞭電推進系統，電推的比沖要高得多，最低的電熱型也有 900 多秒，是比沖最高的氫氧火箭發動機的兩倍，至於說離子電推和霍爾電推，那比沖就更高瞭。電推的研制和應用極大地提高瞭人類的航天能力，比如現在的載人火星任務，推進部分隻需要 SLS 火箭發射一個 40 噸級的電推深空運輸器（DST），而傳統方案至少需要發射 6、7 枚重型火箭。
▲太空發射系統（Space Launch System，簡稱 SLS）
電推系統靠噴出高速的帶電粒子產生推力，但這些粒子可不是空穴來風，而是來自攜帶的工質，綜合各方面因素考慮，電推發動機工質基本都用" 氙 "這種稀有氣體。氙雖然在大氣中相當稀少，但供應電推使用還是沒問題的，問題在於即使是高比沖的電推發動機，等效比沖也就是 3000 到 4000 秒，雖然比化學火箭發動機是提高瞭大約 10 倍，但能提供的總沖量還是相當有限的。
▲ GOCE 衛星
比如歐洲著名的 GOCE 衛星，它在 250 公裡高度工作，精確測量地球重力場，為瞭抵消高空大氣阻力就使用瞭電推系統，40 千克氙讓它活躍瞭 5 年之久，但用完這些工質它也就隻能墜落瞭。
人心總是得隴望蜀的，普通電推發動機工作受到攜帶工質的限制，要是有工質無限的電推該多好呢？
▲吸氣電推想象圖
你還真別說，這種概念並非白日夢，歐空局的工程師們最近研制出瞭吸氣式電推：根據歐空局網站 3 月 5 日的報道，歐洲工程師們在世界上成功實現吸氣式電推發動機的首次點火！
吸氣式發動機對於航空航天領域並不陌生，這些天中國官媒在報道空天飛機，將來我國的空天飛機就用吸氣式發動機，畢竟火箭發動機比沖實在太低瞭，不過 " 關西大漢 " 般張著大嘴吸氣的噴氣發動機，和 " 小傢碧玉 " 幾十毫牛推力的電推也能聯系到一起？不是我不明白，是這世界變化太快。那麼吸氣式電推到底是怎麼樣的呢？
▲吸氣電推樣機
雖然一般把 100 公裡高度的馮卡門線定為大氣層和太空的分界線，但 100 公裡以上仍然有大量空氣分子，高空稀薄空氣的阻力也是讓衛星飛船軌道衰減乃至墜落的主要原因。
吸氣式電推不攜帶傳統的氙工質，它被設計為在大氣高層或者說超低軌道上工作，利用搜集到的空氣分子做工質，取代瞭專門攜帶的氙工質，從而獲得瞭超低軌道長時間機動飛行的能力。歐空局的吸氣式電推由位於意大利的 Sitael 公司研制和試驗，設計上在距離地面 200 公裡高度飛行，Sitael 公司的真空室能模擬 200 公裡高度的真空環境，並利用粒子流發生器模擬迎面而來的高速空氣分子，這臺沖壓電推或者說吸氣式電推就在這樣的環境下進行瞭試驗。
▲吸氣電推原理
作為沖壓電推發動機，這臺發動機並沒有閥門或是其他復雜結構，設計上的挑戰主要是研制新的進氣道收集空氣分子，值得一提的是，設計進氣道的公司是波蘭的 QuinteScience 公司。Sitael 公司研制瞭雙級推進器，它既可以使用傳統氙工質工作，這時發動機噴出藍色的 " 尾焰 "，設計上也可以使用空氣分子，該公司對進氣道和電推的匹配做瞭全面的計算機模擬，並成功將電推和進氣道整合起來。試驗中發生器產生瞭氮氧混合的稀薄空氣，吸氣式電推吸入空氣並噴出紫色火焰，最終獲得瞭吸氣式 / 沖壓式電推的首次成功點火。
▲普通電推尾焰
▲吸氣電推尾焰
Sitael 公司隨後進行瞭多次點火試驗，測試證明瞭這種新概念電推的可行性。隨著他們的成功，吸氣式電推不再是科幻小說或是論文中的概念，而是活生生的現實，隨著研究和試驗的進一步深入，吸氣式電推遲早會裝上超低軌道衛星，支持各種超低軌道 / 臨近空間的航天飛行任務。
說起超低軌道任務，現在低軌道通信星座更是熱門：SpaceX 公司的低軌道通信星座第二階段要在 340 公裡高度部署 7518 顆 V 波段通信衛星，相比於 1100 公裡高度的 Ka 波段衛星，它將進一步降低通信延遲。SpaceX 公司剛剛發射兩顆測試星，第二階段星座還遙遙無期，如果吸氣式電推發展順利的話，未來使用吸氣式電推進一步降低軌道高度，縮短通信延遲也是大有可能的！
▲真空室內的吸氣電推
吸氣式電推在民用領域前途光明，它在軍用領域同樣大有可為，我國的快舟一號衛星軌道高度低，使用化學發動機變軌所以壽命補償，如果能用上吸氣式電推，快舟一號就能在更低的軌道上工作更久，提供更清晰的遙感衛片！如果大型遙感衛星能用上這種新概念電推，在 200 公裡甚至 120 公裡高度（KH-8 近地點）長時間飛行，那衛片分辨率和質量就更好瞭！
毫不誇張的說，如果這種吸氣式電推將來投入使用，無論是通信、導航、遙感，還是更遙遠的高超音速飛行器都將獲得長足的發展，現在冷清的臨近空間區域將馬上熱鬧起來。
來源：衛星與網絡（ID:satnetdy）
作者：空天松鼠
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