离子推进跟核聚变没啥关系,硬要扯上关系的话也只有经典环形磁约束聚变反应堆——托卡马克里的中性束注射器跟离子推进器一样使用库伦力来加速离子,其作用是进一步加热等离子体,同时补充燃料。
我不知道新闻的原文是怎么说的,我猜测是英国某公司发明了效率更高、更紧凑的加速网格电极,能制造更紧凑、能源使用效率更高的静电栅格离子推进器,也能用来提升托卡马克反应堆里的中性束注入装置的效率。离子推进器是电推进或者说电火箭家族中的重要一员,优点是喷气速度高——目前实际上天的离子推进器喷气速度在30-40千米/秒,最好的化学火箭喷气速度大约才4.5千米/秒。然而离子推进器的缺点也很明显——推力非常低:离子推进器推力以毫牛顿为单位,化学火箭的推力是以千牛顿为单位)。
离子推进器能否带来高速星际空间旅行?这个得看具体情况,如果是指恒星际飞行,那因为距离过远、推力过低,加速所需时间太长,很可能超出引擎寿命,因为离子会侵蚀离子推进器的电极,最后导致其失效。NASA曾经研究过用核反应堆驱动离子推进器,用60年时间抵达1000天文单位(1天文单位相当于标准日地距离,缩写为AU),这个距离已经能用太阳的引力透镜效应当超级望远镜去观测遥远天体了,然而离恒星际飞行还是遥远,毕竟1光年=63,241天文单位,著名的比邻星距离太阳4.3光年。所以别做梦了。
那离子推进器能否行星际飞行,那完全可行,不过因为离子推进器的低推力,实际上因为加速太慢。实际飞行时间跟传统化学火箭差不多甚至更慢,但是因为喷气速度高,达到相同的速度比化学火箭消耗少得多的推进剂。使得飞船更省钱或者能多装货。
NASA的载人火星飞船就有使用离子推进的方案,上图是其中之一。注意由于离子推进器吃电,电力消耗大,所以光伏阵列显得夸张。面积比国际空间站还大,功率达600-900千瓦(国际空间站才120千瓦)。虽然NASA对于载人火星飞船更倾向于用霍尔效应推进器。
然而霍尔效应推进器广义上也算离子推进器,虽然用的不是静电库伦力,而是电磁上的霍尔效应,但是喷气也是离子,使得霍尔效应推进器和静电栅格离子推进器一样需要电子束中和电荷。更重要的是使用电推进的飞船可以根据具体情况选用静电网格离子推进器还是霍尔效应推进器,如同组装电脑一样。虽然原理完全不同,但是用起来两者差不多:都吃电、都是低推力高比冲、都爱用氙作为推进剂等等。硬要说两者在实用性上差别的话就是静电网格离子推进器比冲更高,霍尔效应推进器的比冲相对低一些,但寿命更长些。
如果离子推进器和化学火箭使用相同质量的推进剂,离子推进器的确最终能飞的更快更远,给航天器提供化学火箭难以企及的轨道机动能力。但是在短途航行例如地球到月球发挥不出优势。因为加速太慢导致化学火箭先发制人,如同龟兔赛跑里兔子远远甩开乌龟一样。到了地球-火星航线上,离子推进器算是和化学火箭势均力敌。更远的行星际航线上离子推进器开始占优。不过如同前面所说的,由于引擎寿命、加速过慢(毕竟恒星际航行所需速度不是行星际航行能比的)等问题,用作恒星际航行还是没戏。
通俗的总结一下就是离子推进器乃至其他电推相比化学火箭的特点是,短程航线省油省钱但多耗时。中程航线省油省钱但略耗时。长程航线则是省油省钱更省时,续航还强。
下面放一段NASA喷气推进实验室的科学家讲解黎明号探测器以及离子推进技术的视频。
那聚变推进是什么情况?聚变推进的喷气速度比离子推进器高的多,理论极限喷气速度大约为25,000千米/秒,而一百年实用的聚变推进器的喷气速度大约会在100-1000千米/秒之间,推力比离子推进器大不少,但还是比化学火箭低两、三个数量级,不可能出现加速度120G的聚变飞船(就算有工质也绝对达不到,何况是用辐射光压推进),那个需要固体燃料火箭才能实现,注意分清速度和加速度。至于可控核聚变推进还有多远,可能在本世纪40-60年代变为现实。
关于聚变推进,我下面这回答里也有所涉及,可以参考看看一下。
ncc21382:人类如果要星际旅行,目前哪些问题还没有解决?应该怎么样解决?
NEAR吸气式核热火箭是什么东西?那个东西相当于结合了核热火箭和冲压喷气引擎技术的混合体,能使用大气作为工质提升推力。不过由于要在大气层内工作,就很不环保,废气有放射性(如果像下图里那样用热交换器,那废气就干净但效率大大降低)。而且万一坠毁虽然不会核爆,但也会严重的核污染,参见福岛。所以这东西不可能在地球上使用,当然可以在木星、土星、天王星、海王星这些巨行星上用,反正掉下去也无人居住。
关于无工质推进,大部分迷信无工质推进的是被软科幻、太空歌剧等所误导了。天真的认为太空飞行只有引擎开着飞船才能前进,引擎一关飞船就会停,如同航海、航空一样。不知道实际上太空飞行中大部分时间是无动力的惯性滑行,关引擎不会慢下来停下来,相反抵达目的地反而需要掉头开引擎减速。所以无工质推进没想象的那么神,而且现实的无工质推进——太阳帆、激光帆、微波帆等的推力极低,比电推低得多。之前炒的沸沸扬扬的EM无工质推进器就算没证明实验失败,其推力也比电推低很多很多,加速度拙急。谁能接受去趟月球、火星用几十年?
离子推进器、等离子推进器、聚变推进器都属于工质推进。这好比固态、液态属于物质,而气态也是物质。等离子体是物质的第四态,通俗的讲离子则是被剥离电子的原子核,带电荷会积累静电。等离子体包含离子和自由电子,电离同时电荷中性,不会积累静电。虽然高速运动的离子在某些情况下被视作辐射,例如Alpha辐射可以说就是跑得飞快的氦离子,然而不可否认本身还是物质,地球上绝大部分的氦来自地球内部放射性元素衰变产生的Alpha辐射,最终这些氦跟天然气混合被人类开采,也是人类氦气的来源。所以粒子辐射推进不能算无工质推进。
不要看科幻和鸡血宣传看多了就热血冲脑,跟风高喊“星辰大海”,喊口号前先弄清你说的是什么,而不是当复读机。
如何增加离子推进器等电推的推力让飞船加速快一些?有两种选择,降低喷气速度增加推进剂流量(加粗管子、提升喷气的密度),牺牲比冲换推力。要不牺牲比冲加推力的话只有增加能源供应了。上面积更大效率更高的光伏阵列、上大功率核反应堆。不过那些发电系统也会相应增加飞船质量。导致整船推重比还是上不去,当然你可以少拉人少装货通过减少载荷质量、甚至推进剂携带量来提升整船推重比-加速度,不过那造成的影响就可想而知了。
在同样的能量供应下,喷气速度和推力难以兼得,加比冲得降推力。加推力的降比冲。
来源:知乎 www.zhihu.com
作者:ncc21382
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