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電動航天推進

電動式推進是指利用電力或磁場作為太空船的動力。這系統大多採用加速電離子的技術。

6 kW 的霍爾推進器在NASA 噴射推進實驗室中運作

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。因為電動發動機比化學燃料火箭有更高的排氣速度，所以比化學燃料火箭消耗更少燃料[1]，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[2]。經過長時間後，電動發動機能加速到一個相當可觀的速度，因此電動發動機比化學燃料火箭更適合於深太空任務。

目前，電動式推進發展已相當成熟，已廣泛應用於各種太空任務上。俄羅斯的衛星已經採用電動推進有幾十年[3]。到2019年，在太陽系運行的500多個航天器採用電動推進系統[4]。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發動機更可產生每秒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[1][5]。理論上，電動式推進如能搭配外部能源（透過雷射方式傳送動力）運作，是有可能進行星際穿梭[6][7]。由於電動式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

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離子和電漿推進

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此一形式的發動機利用噴出離子作為動力來源。有別於一般火箭發動機，由於並不需要噴嘴，所以並不被視為真正的火箭發動機。離子發動機基本上等同於粒子加速器，原理是將離子從排氣口噴射出去以產生動力。目前知名的粒子加速器並非用作推進器，主要是用在研究及工業上，為科學測量及核散裂反應(nuclear spallation) 或離子注入 (ion implantation)等研究作出貢獻，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。

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

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任何裝置藉庫侖靜電力產生加速度作為動力，皆屬於靜電式推進，包括：

  • 網格離子推進器 Gridded ion thruster
    • 國家太空總署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 Radiofrequency ion thruster
  • 霍爾推進器 Hall Effect Thruster (HET)
    • 固定電漿推進器 Stationary Plasma Thruster (SPT)
    • 陽極層離子推進器 Thruster with Anode Layer (TAL)
  • 離子膠體推進器 Colloid Ion Thruster
  • 場致發射電力推進 Field Emission Electric Propulsion (FEEP)
  • 奈米粒子場提取推進器 Nano-particle field extraction thruster
電熱式推進
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電熱式推進指儀器透過產生電漿令推進劑加熱，並通過實體噴嘴或磁場噴嘴，將推進劑的熱能轉化為動能。通常採用低分子量氣體(如氫、氦及氨)作為推進劑。

電熱式發動機通過噴嘴將熱能轉化為分子的直線運動，以成為自身動力，可視它為火箭。

雖然電熱式發動機在比衝(ISP)方面的表現並沒有特別突出(500到1000秒)，仍比冷氣體推進器、單基發動機及大部份的雙基發動機優秀。蘇聯曾於1971年起採用電熱式發動機，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，並以聯胺作為推進劑。電熱式推進器包括：

  • 電弧噴射發動機 Arcjet Thruster
  • 電阻加熱電漿發動機 Resistojet Thruster
  • 可變比衝磁電漿火箭 Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR)
電磁式推進
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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：

  • 無電極電漿推進器 Electrodeless plasma thruster
  • 磁電漿動力推進器 Magnetoplasmadynamic thruster
  • 脈衝感應推進器 Pulsed inductive thruster
  • 脈衝電漿推進器 Pulsed plasma thruster
  • 螺旋雙層結構推進器 Helicon Double Layer Thruster

非離子式推進

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光子式推進
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光子推進器意指儀器透過發射光子產生推力。詳見以下頁面：

  • 雷射推進 Laser propulsion
  • 光子火箭 Photon rocket
電動纜索式推進
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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
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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：

穩定輸出型及非穩定輸出型

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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

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由於電動式發動機的動力相當有限，因此產生的推力比化學燃料發動機更少，其推力差距甚至高達好幾個數量級。並且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。然而在同等的推力下，電動式推進能以較少燃料，為太空船帶來可觀的航行速度，這一點相對化學燃料發動機佔有極大優勢。化學燃料發動機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。

參考资料

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  1. ^ 1.0 1.1 Choueiri, Edgar Y. (2009) New dawn of electric rocket Scientific American 300, 58–65 doi:10.1038/scientificamerican0209-58
  2. ^ Electric versus Chemical Propulsion. Electric Spacecraft Propulsion. ESA. [2007-02-17]. （原始内容存档于2011-05-23）. 
  3. ^ Electric Propulsion Research at Institute of Fundamental Technological Research. 2011-08-16. （原始内容存档于2011-08-16）. 
  4. ^ 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. 
  5. ^ Choueiri, Edgar Y. (2009). New dawn of electric rocket. [2023-07-03]. （原始内容存档于2016-10-18）. 
  6. ^ Google Scholar. scholar.google.com. [2023-07-03]. （原始内容存档于2016-01-17）. 
  7. ^ Geoffrey A. Landis. Laser-powered Interstellar Probe 互联网档案馆的存檔，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）
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