電動航天推進

因為電動推進器比化學燃料火箭有更高的排氣速度(比衝越高代表效率越好,亦即可以用相同質量的燃料產生更多的動量),所以比化學燃料火箭消耗更少燃料,但由於能源所限,其推力會比化學燃料火箭弱得多。雖然電動推進器的推力較少,但推力卻可維持一段很長的時間。經過長時間後,電動推進器能加速到一個相當可觀的速度,因此電動推進器比化學燃料火箭更適合於深空任務中的工作。

電動航天推進是指飛船利用電力或磁場作為太空船的動力。這類飛船推進系統大多採用加速電離子的技術。

目前,電動航天推進發展已相當成熟,已廣泛應用於各種航天領域上。俄羅斯的衛星已經採用電動推進有幾十年,預計到2020年,一半的新型衛星將完全採用電動式推進。到2019年,在太陽系運行的500多個航天器將採用電動推進系統。其系統除了作為它們的主要動力外,亦會用作固定航天器在軌道上及軌道提升等功能。而日後所發展出電動推進器更可產生每秒100公里的速度增量 (Δv)。雖然這速度能使太空船(且是核能驅動)前往至太陽系外圍的星球,卻還不足以進行星際間的穿梭。理論上,電動火箭如能搭配外部能源(透過雷射方式傳送動力)運作,火箭是有可能進行星際穿梭。由於電動推進產生的推力不夠強,所以並不適合用於火箭從地球發射上太空的過程。

驅動形式

離子及等離子驅動

這形式的引擎採用電能作為飛船動力。有別於一般火箭引擎,由於這款引擎並不需要採用火箭噴嘴,所以部份引擎並不視為真正的火箭引擎。根據用於加速離子的作用力種類,太空船所使用的電動推進器可分為三種:

靜電式推進

任何裝置藉庫侖力所產生的加速度(即當靜電場與離子加速的方向相同時)作為動力,皆屬於靜電式驅動。離子驅動器基本上等同於粒子加速器,原理是將粒子流從火箭的排氣口噴射出去,以產生動力。目前粒子加速器並非用作推進器;它主要是用在研究及工業上,為科學測量(如歐洲核子研究中心使用大型強子對撞機進行的基礎物理研究)及核散裂反應(nuclear spallation) 或離子注入 (ion implantation)等研究作出貢獻。

這款用於離子驅動的粒子加速器,在結構和運行參數上與傳統的粒子加速器有很大的不同。粒子加速器一般需要平衡兩個主要參數:射束能量和射束流(即射束中的粒子密度)。一般而言,傳統的粒子加速器的設置要麼是高的粒子能量與低束流,或低粒子能量與高束流。實現這些參數的主要難度是,由於構成射束流中的粒子都是帶電的(粒子如不帶電就不能被加速),因此粒子會在射束流內互相排斥及推擠,並阻礙了粒子間的准直。當射束能量越高及粒子密度越高,阻礙粒子加速及准直的程度就越大。

要做到與推進器相同的效果,需將推進器的射束能量和射束流的效率最大化。但迄今為止,尚未製造出一個加速器可產生出超過幾十或幾百牛頓推力。靜電式推進器包括:

網格離子推進器 Gridded ion thruster

  • 美國宇航局太陽能技術應用設備 NASA Solar Technology Application Readiness(NSTAR)
  • 高能量電力推進 High Power Electric Propulsion (HiPEP)
  • 射頻離子推進器 Radio frequency ion thruster

霍爾效應推進器 Hall effect thruster

  • 固定等離子推進器 Stationary Plasma Thruster (SPT)
  • 陽極層離子推進器 Thruster with Anode Layer (TAL)

膠狀體離子 Colloid ion thruster

場致發射電力推進 Field Emission Electric Propulsion

納米粒子場提取推進器 Nano-particle field extraction thruster

電熱式推進

電熱式推進指儀器透過電磁場產生的等離子體令推進劑加熱,並通過固體燃料或磁場噴嘴,將推進劑的熱能轉化為動能。其系統多採用低分子量氣體(如氫、氦及氨)作為推進劑。

電熱引擎通過噴嘴將熱能轉化為分子的直線運動,以成為自身動力。儘管它的最根本的能源並非來自太空船本身,但仍可視它為火箭。

雖然電熱系統在比衝量(ISP)方面的表現屬中規中舉(500到1000秒),仍比冷氣體推進器、單體推進火箭及大部份的雙體推進器有更佳比衝量。蘇聯曾於1971年起採用電熱引擎,包括蘇聯製的“Meteor-3”、“Meteor-Priroda”、“Resurs-O”系列的衛星,以及俄製的“Elektro”衛星。目前洛克希德·馬丁(Lockheed Martin)的A2100衛星正採用由洛克達因公司(Aerojet)製造的電熱系統MR-510,並以聯氨作為推進劑。電熱式推進器包括:

電弧加熱等離子推進器 Arcjet Thruster

電阻加熱等離子推進器 Resistojet Thruster

可變比沖磁電漿體火箭 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)

電磁式推進

電磁式推進指儀器利用離子加速,即離子受到勞侖茲力或電磁場作用(其電場與離子加速的方向不相同)影響,作為飛船動力。電磁式推進器包括:

無電級等離子推進器 Electrodeless plasma thruster

磁等離子動力推進器 Magnetoplasmadynamic thruster

脈動感應推進器 Pulsed inductive thruster

脈動等離子推進器 Pulsed plasma thruster

螺旋波雙層結構推進器 Helicon Double Layer Thruster

光子式推進

光子驅動器意指儀器透過發射光子產生推力。詳見以下頁面:

激光推進 Laser propulsion

光子火箭 Photon rocket

電動纜索式推進

電動纜索是一條很長的導線。如將一條纜索連接上一個特定的衛星,它就能以發電機的電動原理運作,將動能轉化為電動,或以發電機的原理運作,將電動轉化為動能。當纜索在地球的磁場中移動,便能產生電勢。電動纜索採用甚麼種類的金屬導線取決多個因素,主要包括其導電性及低密度性。次要因素則是金屬的價格、強度及熔點。詳見以下頁面:

電動纜索 Electrodynamic tether

其他具爭議性的推進形式

除上述的非離子式驅動形式外,還有數個推進方式曾經被提出,但尚未清楚這些方法能否在現今所知的物理規則下實現,包括:

量子真空等離子推進器 Quantum Vacuum Plasma Thruster

射頻共振空腔推進器 RF resonant cavity thruster

穩定輸出型及非穩定輸出型

電動推進系統亦可以分類為穩定輸出型(能於指定時間內持續地產生動力)及非穩定輸出型(以脈衝方式噴射達到預期推力)。事實上,這分類方式不只可應用在電動推進系統上,亦可以應用在任何推進形式的引擎上。

動力特性

由於電動火箭的動力相當有限,因此產生的推力比化學燃料火箭更少,其推力差距甚至高達到多個數量級 (orders of magnitude) 。另外,化學燃料火箭產生動力的方式快而直接,電動系統卻需要多個程序才能產生動力。在同等的推力下,電動火箭卻能以較少的燃料為火箭帶來可觀的航行速度,因此令火箭可以航行更長時間,這一點有別於化學燃料火箭。化學燃料火箭的引擎只能於很短的時間內運作,並大多只會於慣性軌道(inertial trajectory)上航行。當接近行星時,電動火箭雖然沒法提供足夠的推力使飛船脫離星球的表面,但長時間性的低推力卻可以令飛船在星球附近的地方航行。

參考

詳見英文版本(此頁面之所有內容為英文頁面Electrically powered spacecraft propulsion的中文版本)

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