ESA designs its smallest ever space engine to push back against sunshine
http://www.physorg.com/news155916067.html
March 10th, 2009
(PhysOrg.com) -- 這個月，一個 ESA 團隊正準備測試一款太空引擎的效能，它是 ESA 到目前為止所打造最小型，卻能夠最精準控制的引擎，其靈敏度足以抵消來自於入射陽光的力量。
直徑量起來只有 10 公分，而且當它運作時會發出淡藍光，這種 Field Emission Electric Propulsion（FEEP，場發射電力推進）引擎所產生的平均推力相當於一根掉落的頭髮。但儘管它的功率這麼低，FEEP 的推力範圍與可控制性遠優於其他更強大的推進器，掌握了 ESA 一項具有雄心之太空任務的未來成功關鍵。
"絕大部份的推進系統要讓一火箭從 A 到 B，" ESA 科學計畫部的 Davide Nicolini 解釋，負責 FEEP 計畫。"但 FEEP 的目標是要讓太空船維持在一定點上，為擾亂它的最微小力量做出補償，其精確度其他引擎設計無法相提並論。"
觀察一隔離自所有外部影響的物體如何表現，是物理學家的一種長期雄心，不過在地球的重力場中，那不可能辦到。所以，一個未來十年的計畫，稱為 LISA Pathfinder 將要飛行 150 萬公里，抵達太空中一個稱為 Lagrange Point 1（L1，拉格朗日點 1）的地方，在這裡太陽與地球的重力相互抵消，故能夠精確監測一對自由漂浮之測試物體的行為。然而，為了使這個實驗完全與宇宙其餘部份分離，這裡仍有某些攝動（perturbations）需要克服，尤其是陽光本身微小卻持續不斷的壓力。
這正是 FEEP 介入的地方。其運作基本原理與在 ESA SMART-1 月球任務上或其他太空船上飛行的離子引擎相同：施加一電場以加速帶電荷原子（稱為離子），產生推力。
雖然其他離子引擎的推力以 millinewtons（千分之一牛頓）測量，但 FEEP 的效能卻要用 micronewtons（百萬分之一牛頓）來評估，這個單位小了一千倍。這部引擎的推力範圍在 0.1 到 150 micronewtons，其解析能力為：在 190 milliseconds 內，或著更短的時間內，產生 0.1 micronewtons 的反應。
為了推進，FEEP 利用液態金屬銫。透過毛細作用，銫在一對金屬表面之間流動，其末端是如剃刀般鋒利的狹縫。其間隙量起來只有 1 micron（百萬分之一公尺）。表面張力使得銫固定在狹縫口，直到一電場產生。這使得微小的圓錐體在液態銫當中形成，有帶正電的離子從它們的尖端射出以創造推力。
一個每組有四個 FEEP 推進器，全部共三組的總成，將安裝在 LISA（Laser Interferometer Space Antenna）Pathfinder 的船殼上。與另一套分開的、由 NASA 所設計的推進系統一同運作，FEEP 推進器所能產生的方向控制，至少比任何先前的太空船要精確二個數量級（百倍）以上，達百萬分之一公尺。這個月的 ESTEC 測試打算要在最終飛行硬體開始建造之前，先驗證 FEEP 開發模型。
棘手的測試
"我們在此監督這項研究是因為我們有 FEEP 技術的先前知識，" ESA 推進實驗室的 Pierre-Etienne Frigot 表示。"子系統的電氣需要與 ESTEC 真空設施以及地球本身完全絕緣，那在電力推進測試中並非罕見要求，但卻更具挑戰性，因為子系統在非常小的微安培電流上運作。"
試驗在一個真空室內進行，推進系統以電池運作，以確保完全的電氣去耦合（decoupling），硬體則置於陶瓷絕緣體上，以避免來自於地面的任何電氣干擾 -- 類似於地鐵線上用來使導電軌（live rails）絕緣的陶瓷支撐物。
"我們將觀察三種不同的微推進系統零件如何共同運作，除了狹縫 FEEP 推進器之外，還有它的電力控制單元以及熱離子中和器（thermionic neutraliser）。FEEP 發射使一強大電荷累積，以幾千伏特計，那需要等量電子來平衡電荷，使太空船的電位降到約幾十伏特。若中和器無法適當運作與 FEEP 保持平衡，那將危及太空船，" Frigot 補充。
若 LISA Pathfinder 累積強大的電位，那將產生靜電放電的威脅 -- 太空中的一種閃電，那可能把太空船上的系統炸熟 -- 故試驗設備所產生的「浮動電位」將會被仔細測量。
Nicolini 表示，ESA 對於 FEEP 總成子系統 -- 過去七年在 ESA 的合約下，由義大利的 Alta 與 Galileo Avionica 二家公司，以及法國的 Astrium-Toulouse 以及瑞士的 Oerlikon 所開發 -- 的測試，代表著此技術的某一種回娘家："FEEP 在 ESTE 發明，不過這項技術因為它的低功率輸出而被擺在一旁，直到要求非常穩定定位的太空應用出現，它才再度受到關注。FEEP 仍然是全部在歐洲構想與開發的唯一一套太空推進系統。"
FEEP 的未來
FEEP 將在 LISA Pathfinder 太空船上與幾乎同樣精確的 NASA 「colloidal（膠體）」推進器系統共同運作。目的在於驗證兩套系統以及許多為 NASA-ESA LISA 聯合計畫（目前預計在十年之後開始）所需的關鍵技術。
LISA 涉及在 L1 四周放置三顆衛星，兩兩相距 500 萬公里，且由雷射相連，以構成有史以來放置在太空中、規模最大的單一結構。其目的在於偵測空間中的漣漪，稱為重力波，由愛因斯坦的廣義相對論所預測，那在地球上偵測不到。（譯註：詳見相關報導）
FEEP 也被設計成與法國某個稱為 Microscope 的太空任務需求相容，那要研究所謂的等效原理（equivalence principle） -- 最為人所熟知的應當是伽利略著名的實驗，那時他使一根羽毛以及一粒加農砲砲彈從比薩斜塔上落下 -- 那比先前所進行的要精確 100 倍以上。
一旦那被證明，FEEP 技術將成為一系列任務的標誌，構成包括為了天文學、地球觀測以及為了測繪地球重力變化之無拖曳（drag-free）衛星的飛行。
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