想将下一代火箭发射到天空

综合理工研究院 山本直嗣 教授

个人简介

    山本教授出生在大阪，童年时期非常热衷于打棒球和踢足球，偶然间意识到“机器人好帅啊”。在好奇心的促使下，初中和高中学习各种科目，从太空科学到生物学和考古学。为了学习航空航天工业和独立生活，考入了东京大学自然科学一类专业。1999年从工程学院航空航天系毕业之前，他已经开始了他的电力推进(EP)研究，仅仅是因为他好奇有一天能在外太空看到它们。后来进入东京大学工程研究生院，并于2004年获得航空航天博士学位。同年，被任命为九州大学综合理工研究院的研究助理。从2007年到2009年，作为访问学者到科罗拉多州立大学机械工程系深造，自2017年以来一直担任九州大学的全职教授。2009年获第19届日本航空及空间科学学会奖，并于2011年获教育、文化、体育、科学及技术部颁发青年科学家奖。山本教授还在2019年5月成立了一家产学合作企业（学术界和产业界的合资企业），向大学和私营企业出售微型 EP。

研究内容

    迄今为止，卫星和太空探测器上的常规化学火箭发动机一直使用化学反应来产生推力。我的兴趣在于研究和开发用于卫星和探测器的下一代火箭发动机，即利用等离子体提供推力的电力推进器，这种推进器因在日本隼鸟号飞行任务中发挥的突出作用而闻名。
电力推进技术的研究始于20世纪60年代，成功地应用于70年代。然而，就在最近二十年前，人们还认为它们的普遍使用风险太大，只用于国家一级的项目，作为原型或偶尔用于军事卫星。在过去的十年里，这些发动机在研究和应用方面取得了巨大的进步，电力推进系统现在可以在全世界200多颗卫星和探测器上找到。
    电力推进使用的是等离子体，这是物质的第四种基本状态，通常是通过将气体加热到灼热的温度而产生。热量将电子从原子中分离出来，使它们自由移动，从而在这个过程中产生离子。等离子体可以通过静电和电磁力来控制，这意味着我们可以很容易地将能量转移到离子和电子上。Ep 使用这种电力驱逐非常高速的等离子体(大约20,000米 / 秒) ，这会形成更好的燃料消耗。例如，一颗两吨重的卫星目前需要一吨燃料用于轨道转移，但是 EPs可以仅使用100公斤燃料运送同一颗卫星，燃料减少意味着航天器设备的空间增加和卫星体积缩小。随着小型卫星的出现，我们将能够共用一个发射器，这将对降低成本产生重大影响。
    2019年5月，SpaceX 成功发射了60颗装备有 EPs 的高速宽带卫星，用于调整、维护和将卫星轨道提升至550公里，类似于操纵无人机。这些发动机还负责帮助卫星保持其高度的推力。到目前为止，距离地球400公里的高度是卫星能够维持的最低轨道，也就是所谓的低地球轨道的内部边缘。然而，利用 EPs，卫星可以补偿大气阻力，并保持其高度低至地球上空200公里。这使得像非洲这样的发展中国家的偏远地区更容易负担得起提供可靠的互联网接入。

    我目前对 EPs 的研究主要集中在探测引力波的卫星上。使用激光测量和数值模拟，我研究 EP 背后的物理学，将各种新的见解纳入发动机开发。希望通过无数次的反复，能够创造出更好的下一代引擎，最终对世界产生积极的影响。我的任务是研究和开发能够满足当前卫星和探测器需求的电动助力转换器，并希望随着全球研究和创新的加速，能够展望未来，预测未来的需求。

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