为什么等离子体推进不能在地球大气层中工作?

时间:2022-06-11 11:32:34   作者:
一旦进入轨道,进入太空,超过地球大气造成的99.9%的阻力,原始推力就不是很重要了。最好的火箭发动机是从给定质量的燃料(发动机、油箱、管道等)中获得最高累积速度变化的发动机。所以在太空中,等离子体和离子发动机非常有吸引力。它们几乎不会对它们的整体质量产生任何推力(特别是当你加上太阳能电池板或其他驱动它们的电力源的质量时),但它们所产生的加速度实际上是无止境的。

在燃料方面,它们极其节俭,在很长一段时间内不断增加速度变化,比如对外行星的凌日。即使在这里,它们也几乎总是与更高冲量的推进器、反作用轮或其他一些更快的姿态调整手段结合在一起。因为当需要这样的调整时,它们现在就需要,而不是几周或几个月之后。发射期间也是如此。要进入没有空气的太空,你可以逐渐提高速度,你首先要从表面爬上来。要做到这一点,你必须克服重力和上升过程中的空气阻力,以及加速到轨道速度所需要的重力——因为正是这个速度使你保持在轨道上。

为了这个,离子和等离子推进会吹出o形环。最近的测试表明,实验性X3离子等离子体推力器可以在100千瓦以上的功率下工作,产生5.4牛顿的推力——这是迄今为止此类推力器中最高的。

X3离子等离子体推力器

但X3推进器直径80厘米,重230公斤。支撑1公斤的重量需要9.8牛顿的推力。因此,需要418个X3推进器才能产生足够的推力来平衡一个X3推进器的重量。目前还没有办法将其扩大到可以发射的范围,更不用说携带推进剂、动力源和有效载荷并加速进入轨道了。作为比较,这里有一个100千瓦的水电站,以人类为规模:

水电站

即使我们有一天解决了这个问题,并且能够制造出具有1000倍推力的离子或等离子发动机,我们仍然需要为它们提供动力。

这就是为什么我们仍然需要大型火箭。

离子等离子体推进器利用电力来加速一些反应质量推进剂。火箭从它们的反应质量推进剂中获得能量,而且速度非常快。为“土星5号”提供动力的F1发动机每秒消耗3吨推进剂,产生6770万牛顿的推力,足以举起174.6万磅的火箭。土星5号需要5个这样强大的引擎才能升空,它之所以能进入太空,是因为随着引擎的启动,它的重量会以每秒15吨的速度下降。

这一切在电动引擎上变得更加困难。大多数需要相当奇特的推进剂,如氙气,而我们唯一的轻型紧凑型系统,以生产所需的功率密度看起来很像火箭。

是否有可能制造一种运载火箭,在燃气轮机中燃烧氢和氧,产生几千千瓦的能量,以加速等离子体驱动器的尾部排出的废气,以足够的力量到达太空?也许吧。可能。一天。但在我们开始这条发展道路之前,我们还有大量更可行的方法来改善我们的发射技术。
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