离子发动机是利用电能加速工质(工作介质)形成高速射流而产生推力的航天器发动机。其原理如图所示,首先电子枪发射出的高速电子将中性推进剂离子化(即电离出正离子),正离子被正、负极栅板间的电场加速后从喷口喷出,从而使飞船获得推进或姿态调整的反冲动力。这种发动机寿命长,适用于航天器的姿态控制、位置保持等。已知单个离子的质量为
m,电荷量为
q,正、负极栅板间加速电压为
U,从喷口喷出的正离子所形成的电流为
I。忽略离子间的相互作用力,忽略离子喷射对卫星质量的影响。求:
(1)离子经电场加速后,从端口喷出时的速度大小
v0;
(2)该发动机产生的平均推力大小
F。
(3)假设航天器的总质量为
M,正在以速度
V1沿
MP方向运动,已知现在的运动方向与预定方向
MN成
θ角,如图所示。为了使飞船回到预定的飞行方向
MN,飞船启用推进器进行调整。如果沿垂直于飞船速度
V1的方向进行推进,且推进器工作时间极短,为了使飞船回到预定的飞行方向,离子推进器喷射出的粒子数
N为多少?
