电动航天推进
电动式推进是指利用电力或磁场作为航天器的动力。这系统大多采用加速电离子的技术。
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。因为电动发动机比化学燃料火箭有更高的排气速度，所以比化学燃料火箭消耗更少燃料[1]，但由于能源所限，其推力会比化学燃料火箭弱得多。虽然电动助推器的推力较少，但推力却可维持一段很长的时间[2]。经过长时间后，电动发动机能加速到一个相当可观的速度，因此电动发动机比化学燃料火箭更适合于深太空任务。
目前，电动式推进发展已相当成熟，已广泛应用于各种太空任务上。俄罗斯的卫星已经采用电动推进有几十年[3]。到2019年，在太阳系运行的500多个航天器采用电动推进系统[4]。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发动机更可产生每秒100公里的速度增量（Δv）。虽然这速度能使航天器（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[1][5]。理论上，电动式推进如能搭配外部能源（透过激光方式传送动力）运作，是有可能进行星际穿梭[6][7]。由于电动式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
[编辑]离子和等离子推进
[编辑]此一形式的发动机利用喷出离子作为动力来源。有别于一般火箭发动机，由于并不需要喷管，所以并不被视为真正的火箭发动机。离子发动机基本上等同于粒子加速器，原理是将离子从排气口喷气出去以产生动力。目前知名的粒子加速器并非用作助推器，主要是用在研究及工业上，为科学测量及核散裂反应(nuclear spallation) 或离子注入 (ion implantation)等研究作出贡献，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。
根据用于加速离子的作用力种类，航天器所使用的电动助推器可分为三种：
静电式推进
[编辑]任何装置藉库仑静电力产生加速度作为动力，皆属于静电式推进，包括：
- 网格离子助推器 Gridded ion thruster
- 国家国家航空航天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)
- 射频离子助推器 Radiofrequency ion thruster
- 霍尔助推器 Hall Effect Thruster (HET)
- 固定等离子助推器 Stationary Plasma Thruster (SPT)
- 阳极层离子助推器 Thruster with Anode Layer (TAL)
- 离子胶体助推器 Colloid Ion Thruster
- 场致发射电力推进 Field Emission Electric Propulsion (FEEP)
- 奈米粒子场提取助推器 Nano-particle field extraction thruster
电热式推进
[编辑]电热式推进指仪表透过产生等离子令推进剂加热，并通过实体喷管或磁场喷管，将推进剂的热能转化为动能。通常采用低分子量气体(如氢、氦及氨)作为推进剂。
电热式发动机通过喷管将热能转化为分子的直线运动，以成为自身动力，可视它为火箭。
虽然电热式发动机在比冲(ISP)方面的表现并没有特别突出(500到1000秒)，仍比冷气体助推器、单组元发动机及大部分的双组元发动机优秀。苏联曾于1971年起采用电热式发动机，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，并以联胺作为推进剂。电热式助推器包括：
- 电弧喷气发动机 Arcjet Thruster
- 电阻加热等离子发动机 Resistojet Thruster
- 可变比冲磁等离子火箭 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)
电磁式推进
[编辑]电磁式推进指仪表利用离子加速，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。电磁式助推器包括：
- 无电极等离子助推器 Electrodeless plasma thruster
- 磁等离子动力助推器 Magnetoplasmadynamic thruster
- 脉冲感应助推器 Pulsed inductive thruster
- 脉冲等离子助推器 Pulsed plasma thruster
- 螺旋双层结构助推器 Helicon Double Layer Thruster
非离子式推进
[编辑]光子式推进
[编辑]光子助推器意指仪表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
[编辑]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
[编辑]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：
- 量子真空等离子助推器 Quantum Vacuum Plasma Thruster
- 射频共振空腔助推器 RF resonant cavity thruster
稳定输出型及非稳定输出型
[编辑]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(以脉冲方式喷气达到预期推力)。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发动机上。
动力特性
[编辑]由于电动式发动机的动力相当有限，因此产生的推力比化学燃料发动机更少，其推力差距甚至高达好几个数量级。并且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。然而在同等的推力下，电动式推进能以较少燃料，为航天器带来可观的航行速度，这一点相对化学燃料发动机占有极大优势。化学燃料发动机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。
参考资料
[编辑]- ^ 1.0 1.1 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, 58–65 doi:10.1038/scientificamerican0209-58
- ^ Electric versus Chemical Propulsion. Electric Spacecraft Propulsion. ESA. [2007-02-17]. （原始内容存档于2011-05-23）.
- ^ Electric Propulsion Research at Institute of Fundamental Technological Research. 2011-08-16. （原始内容存档于2011-08-16）.
- ^ Lev, Dan; Myers, Roger M.; Lemmer, Kristina M.; Kolbeck, Jonathan; Koizumi, Hiroyuki; Polzin, Kurt. The technological and commercial expansion of electric propulsion. Acta Astronautica. June 2019, 159: 213–227. Bibcode:2019AcAau.159..213L. S2CID 115682651. doi:10.1016/j.actaastro.2019.03.058.
- ^ Choueiri, Edgar Y. (2009). New dawn of electric rocket. [2023-07-03]. （原始内容存档于2016-10-18）.
- ^ Google Scholar. scholar.google.com. [2023-07-03]. （原始内容存档于2016-01-17）.
- ^ Geoffrey A. Landis. Laser-powered Interstellar Probe 互联网档案馆的存档，存档日期2012-07-22. on the Geoffrey A. Landis: Science. papers available on the web （页面存档备份，存于互联网档案馆）
