Question

離子推進器是新一代航天動力裝置，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道修正。推進劑從圖中P處注入，在A處電離出正離子，BC之間加有恒定電壓，正離子進人B時的速度忽略不計，經(jīng)加速后形成電流為I的離子束后噴出。已知推進器獲得的推力為，，單位時間內(nèi)噴出的離子質(zhì)量為J 。為研究問題方便，假定離子推進器在太空中飛行時不受其他外力，忽略推進器運動速度。

（1）求加在BC間的電壓U ；

（2）為使離子推進器正常運行，必須在出口D處向正離子束注入電子，試解釋其原因。

Answer 1

（1）

（2）推進器持續(xù)噴出正離子束，會使帶有負電荷的電子留在其中，由于庫侖力作用將嚴重阻礙正離子的繼續(xù)噴出。電子積累足夠多時，甚至會將噴出的正離子再吸引回來，致使推進器無法正常工作。因此，必須在出口D處發(fā)射電子注入到正離子束，以中和正離子，使推進器獲得持續(xù)推力。

解析:

（1）設一個正離子的質(zhì)量為m ，電荷量為q ，加速后的速度為v ，根據(jù)動能定理，有

                                qU == m v ²                             ①

設離子推進器在Δt時間內(nèi)噴出質(zhì)最為ΔM的正離子，并以其為研究對象，推進器對ΔM的作用力為F′，由動量定理，有

F′Δt == ΔM v                             ②

由牛頓第三定律知

F′ == F                                  ③

設加速后離子束的橫截面積為S ，單位體積內(nèi)的離子數(shù)為n ，則有

I == n q v S                               ④

J == n m v S                              ⑤

由④、⑤可得

又

                                ⑥

解得

                         ⑦

（2）推進器持續(xù)噴出正離子束，會使帶有負電荷的電子留在其中，由于庫侖力作用將嚴重阻礙正離子的繼續(xù)噴出。電子積累足夠多時，甚至會將噴出的正離子再吸引回來，致使推進器無法正常工作。因此，必須在出口D處發(fā)射電子注入到正離子束，以中和正離子，使推進器獲得持續(xù)推力。

評分標準：

（1）16分 ，①、②、③、④、⑤式各2分，⑥式1分，⑦式5分；

（2）6分，回答出“積累負電荷”給2分，回答出“阻礙正離子的繼續(xù)噴出”或“將噴出的正離子再吸引圓來”給3分，噬答出“中和正離子，使推進器獲得持續(xù)推力”給1分。