为什么在火箭的第一级几乎不可能使用电子推进器?

时间:2022-05-02 17:18:40   作者:
现在,在我们的物理世界中,移动物体的唯一方法就是以另一种方式扔东西,比如飞机/火箭和船(?)或者像汽车、卡车、火车和轮船这样的东西来推动地球。螺旋桨驱动的飞机(以及较小程度上的喷气机)可能属于船舶的范畴,不管你把它们算作是抛出的反应质量还是从行星上推下去。你怎么扔电?怎么用电作为反应质量?你不能。

现在,如果你问为什么在火箭的第一级几乎不可能使用离子/霍尔效应推进器?这类推进器有个问题。它们产生的实际推力非常小。他们通过电离气体来实现这一点,氙是最常见的,利用磁力将气体加速,然后将之前从气体中剥离的电子抛出去。仅仅通过提高电压和气体体积来提高推力,过了一个相当低的限度就不起作用了。为什么?我现在知道了。可能是电流的电弧。导致发动机熔化。所有这些都发生在非常低的压力/接近真空的情况下。在大气中,你有(相对)很大的压力。你几乎马上就会得到电弧。电弧意味着没有推力和熔化的发动机。

为什么在火箭的第一级几乎不可能使用电子推进器

现在,让我们回到少量的实际推力。我指的是非常微小的推力。就像提起一张纸的推力一样大!即使你把它做得好十倍,你仍然有十张纸的推力。不足以让你离开地球。这些类型的推进器的优点是,它们可以在几个月或几年的时间里,通过一个小小的推进剂罐和一个良好的电力来源,产生少量的推力。

目前,一种名为VASIMIR的推进器有能力从超级高效的推力转换到高推力。请注意,高推力(如果我们使用纸张的比喻)是指几本书的推力,而不是数百万英镑的价值。

所以,所有这些之后,如果你还在阅读,简短的答案是:因为1。他们不能在气氛中工作。2. 它们无法产生接近推动发射台上任何航天器所需的推力。

问题在于,地球引力需要巨大的推力才能达到最低轨道速度(7.8公里/秒)。如果你说的是类似于飞机涡扇发动机的电风扇,那么可能的推力只是所需推力的一小部分,即使你有一个神话般的发电机,几乎没有重量,却能产生兆瓦的功率。

如果你说的是离子驱动,它的效率是化学火箭发动机的20倍,你就有一个更大的问题。我们现在能生产的最好的离子驱动型发动机只能产生几牛顿的力(这是你可以用一只手轻松匹配的力),同时需要很多千瓦的电力来提供。如果我们扩大引擎的规模,它会变得非常沉重,我们回到同样的问题,所有的能量从哪里来?

在我们开发出新的概念之前,我们必须面对这样一个现实:让大质量物体进入地球轨道的唯一方法,就是在燃烧过程中突然大量地释放下坠肮脏的化学能。有可能发射的能量来自航天器外部,比如自旋发射的概念,但从地面进入轨道所需的强大力量意味着有效载荷必须非常小和坚固。

一个好的氢燃料电池可以有5:1的动力重量比,再乘以10就可以得到在海平面上可能的推力。所以它非常强大。

但它要么必须将空气转化为等离子体,要么利用自身的能量将消耗氢气的废水转化为过热的蒸汽。如果加热设备像火箭喷嘴一样被低温冷却,这两种方法都是完全可能的。

但目的是什么呢?它的效率更高,但火箭计划将花费大部分的军事预算。要想制造出一枚实用的电动火箭,就需要先进的等离子体控制技术,既能负担得起,又能轻量化。等离子体是一种强大到可以从地面分离水和电离空气的微波。这可能需要几十个世界上最大的燃气涡轮机来提供动力,但这是可能的。就现代技术而言,这是不可能的,但没有物理定律阻止它的实现。这只是一个解决问题的问题,就像所有现代发明一样。
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