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电动航天推进

电动航天推进是指飞船利用电力或磁场作为太空船的动力。这类飞船推进系统大多采用加速电离子的技术。

因为电动推进器比化学燃料火箭有更高的排气速度(比冲越高代表效率越好,亦即可以用相同质量的燃料产生更多的动量),所以比化学燃料火箭消耗更少燃料,但由于能源所限,其推力会比化学燃料火箭弱得多。虽然电动推进器的推力较少,但推力却可维持一段很长的时间。经过长时间后,电动推进器能加速到一个相当可观的速度,因此电动推进器比化学燃料火箭更适合于深空任务中的工作。

目前,电动航天推进发展已相当成熟,已广泛应用于各种航天领域上。俄罗斯的卫星已经采用电动推进有几十年,预计到2020年,一半的新型卫星将完全采用电动式推进。到2019年,在太阳系运行的500多个航天器将采用电动推进系统。其系统除了作为它们的主要动力外,亦会用作固定航天器在轨道上及轨道提升等功能。而日后所发展出电动推进器更可产生每秒100公里的速度增量 (Δv)。虽然这速度能使太空船(且是核能驱动)前往至太阳系外围的星球,却还不足以进行星际间的穿梭。理论上,电动火箭如能搭配外部能源(透过激光方式传送动力)运作,火箭是有可能进行星际穿梭。由于电动推进产生的推力不够强,所以并不适合用于火箭从地球发射上太空的过程。

驱动形式

离子及等离子驱动

这形式的引擎采用电能作为飞船动力。有别于一般火箭引擎,由于这款引擎并不需要采用火箭喷嘴,所以部分引擎并不视为真正的火箭引擎。根据用于加速离子的作用力种类,太空船所使用的电动推进器可分为三种:

静电式推进

任何装置藉库仑力所产生的加速度(即当静电场与离子加速的方向相同时)作为动力,皆属于静电式驱动。离子驱动器基本上等同于粒子加速器,原理是将粒子流从火箭的排气口喷射出去,以产生动力。目前粒子加速器并非用作推进器;它主要是用在研究及工业上,为科学测量(如欧洲核子研究中心使用大型强子对撞机进行的基础物理研究)及核散裂反应(nuclear spallation) 或离子注入 (ion implantation)等研究作出贡献。

这款用于离子驱动的粒子加速器,在结构和运行参数上与传统的粒子加速器有很大的不同。粒子加速器一般需要平衡两个主要参数:射束能量和射束流(即射束中的粒子密度)。一般而言,传统的粒子加速器的设置要么是高的粒子能量与低束流,或低粒子能量与高束流。实现这些参数的主要难度是,由于构成射束流中的粒子都是带电的(粒子如不带电就不能被加速),因此粒子会在射束流内互相排斥及推挤,并阻碍了粒子间的准直。当射束能量越高及粒子密度越高,阻碍粒子加速及准直的程度就越大。

要做到与推进器相同的效果,需将推进器的射束能量和射束流的效率最大化。但迄今为止,尚未制造出一个加速器可产生出超过几十或几百牛顿推力。静电式推进器包括:

网格离子推进器 Gridded ion thruster

  • 美国宇航局太阳能技术应用设备 NASA Solar Technology Application Readiness(NSTAR)
  • 高能量电力推进 High Power Electric Propulsion (HiPEP)
  • 射频离子推进器 Radio frequency ion thruster

霍尔效应推进器 Hall effect thruster

  • 固定等离子推进器 Stationary Plasma Thruster (SPT)
  • 阳极层离子推进器 Thruster with Anode Layer (TAL)

胶状体离子 Colloid ion thruster

场致发射电力推进 Field Emission Electric Propulsion

纳米粒子场提取推进器 Nano-particle field extraction thruster

电热式推进

电热式推进指仪器透过电磁场产生的等离子体令推进剂加热,并通过固体燃料或磁场喷嘴,将推进剂的热能转化为动能。其系统多采用低分子量气体(如氢、氦及氨)作为推进剂。

电热引擎通过喷嘴将热能转化为分子的直线运动,以成为自身动力。尽管它的最根本的能源并非来自太空船本身,但仍可视它为火箭。

虽然电热系统在比冲量(ISP)方面的表现属中规中举(500到1000秒),仍比冷气体推进器、单体推进火箭及大部分的双体推进器有更佳比冲量。苏联曾于1971年起采用电热引擎,包括苏联制的“Meteor-3”、“Meteor-Priroda”、“Resurs-O”系列的卫星,以及俄制的“Elektro”卫星。目前洛克希德·马丁(Lockheed Martin)的A2100卫星正采用由洛克达因公司(Aerojet)制造的电热系统MR-510,并以联氨作为推进剂。电热式推进器包括:

电弧加热等离子推进器 Arcjet Thruster

电阻加热等离子推进器 Resistojet Thruster

可变比冲磁等离子体火箭 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)

电磁式推进

电磁式推进指仪器利用离子加速,即离子受到劳仑兹力或电磁场作用(其电场与离子加速的方向不相同)影响,作为飞船动力。电磁式推进器包括:

无电级等离子推进器 Electrodeless plasma thruster

磁等离子动力推进器 Magnetoplasmadynamic thruster

脉动感应推进器 Pulsed inductive thruster

脉动等离子推进器 Pulsed plasma thruster

螺旋波双层结构推进器 Helicon Double Layer Thruster

非离子驱动

光子式推进

光子驱动器意指仪器透过发射光子产生推力。详见以下页面:

激光推进 Laser propulsion

光子火箭 Photon rocket

电动缆索式推进

电动缆索是一条很长的导线。如将一条缆索连接上一个特定的卫星,它就能以发电机的电动原理运作,将动能转化为电动,或以发电机的原理运作,将电动转化为动能。当缆索在地球的磁场中移动,便能产生电势。电动缆索采用什么种类的金属导线取决多个因素,主要包括其导电性及低密度性。次要因素则是金属的价格、强度及熔点。详见以下页面:

电动缆索 Electrodynamic tether

其他具争议性的推进形式

除上述的非离子式驱动形式外,还有数个推进方式曾经被提出,但尚未清楚这些方法能否在现今所知的物理规则下实现,包括:

量子真空等离子推进器 Quantum Vacuum Plasma Thruster

射频共振空腔推进器 RF resonant cavity thruster

稳定输出型及非稳定输出型

电动推进系统亦可以分类为稳定输出型(能于指定时间内持续地产生动力)及非稳定输出型(以脉冲方式喷射达到预期推力)。事实上,这分类方式不只可应用在电动推进系统上,亦可以应用在任何推进形式的引擎上。

动力特性

由于电动火箭的动力相当有限,因此产生的推力比化学燃料火箭更少,其推力差距甚至高达到多个数量级 (orders of magnitude) 。另外,化学燃料火箭产生动力的方式快而直接,电动系统却需要多个程序才能产生动力。在同等的推力下,电动火箭却能以较少的燃料为火箭带来可观的航行速度,因此令火箭可以航行更长时间,这一点有别于化学燃料火箭。化学燃料火箭的引擎只能于很短的时间内运作,并大多只会于惯性轨道(inertial trajectory)上航行。当接近行星时,电动火箭虽然没法提供足够的推力使飞船脱离星球的表面,但长时间性的低推力却可以令飞船在星球附近的地方航行。

参考

详见英文版本(此页面之所有内容为英文页面Electrically powered spacecraft propulsion的中文版本)


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