第 4 章 - 能源

总论

所有文明都需要能量才能运作，包括每个人每天约 8 MJ（约 2000 卡路里）的食物能量。太空系统也不例外，它们需要能量来进行推进以及其他系统，如生命维持系统、计算机和材料加工。能量领域十分广阔，涉及许多工程领域。太空项目的能量涉及同样广泛的领域。因此，我们只能提供一个介绍，并提供进一步研究的参考资料。在本节中，我们概述了所有类型的太空系统可能使用的能源。由于本书面向未来的太空项目，我们列出了许多尚未开发的能源，但根据已知的物理学原理是可行的。这些能源可以用于第二部分中列出的推进方法，以及第三部分及以后部分中描述的其他工程目的。通过制作能源与推进力的二维表格，我们可以对所有可能的推进方法进行分类，并在本书第二部分的开头进行此操作。我们还没有开发类似的表格来对太空项目中的其他系统进行简洁分类。

近端能源与终极能源

能量守恒原理指出，能量既不能被创造也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。因此，所有项目的能量都必须来自现有的来源。对于给定的项目，您可以区分近端能源，即项目消耗的能源形式，以及终极能源，即追溯近端能源，通过以前的转化将其追溯到最初的形式。最终，所有能量都可以追溯到宇宙的起源，但出于工程目的，我们很少追溯到那么久远，通常关心的是近端能源。

对于目前的太空系统，能量通常储存在内部，例如发射运载工具中的化学能，或卫星中的阳光能。在未来，能量需求可能会发生变化，能源来源也会发生变化。永久性的场所，例如大型轨道栖息地或表面基地，通常需要持续的能量来源才能运行。像电池这样的设备在那个规模上变得笨重，无法为地球轨道的夜间部分或为期两周的月球夜晚提供电力。未来的项目可能还需要更高的功率水平来执行诸如本地材料加工等任务。因此，以下标题试图包括所有潜在的能源，包括许多尚未使用的能源，但这些能源在未来的太空项目中可能会变得有用。我们列出所有这些能源，以便设计师了解所有可能性，然后从中选择适合特定任务的可行选项。我们排除了诸如人力和动物力量之类的能源，因为它们功率水平低，而且生物体不像非生物系统那样受制于相同的工程设计。我们还排除了风能和地热能等能源，这些能源主要适用于地球。最后，我们包括了一些能量储存方法，这些方法并不严格意义上的能源。然而，能量储存通常是系统设计中必不可少且重要的部分。

能源参考资料

要了解一般的能源来源，而不仅仅是它们如何应用于太空项目，一个起点是美国国家科学院的书籍美国的能源未来，2009 年。大约 150 本其他书籍可以在能源与节能主题从同一个网站免费下载。关于能量主题的百科全书参考资料包括能源百科全书，能源工程与技术百科全书，以及麦克米伦能源百科全书。这些通常是昂贵的参考书，因此建议使用图书馆或其他来源获取。关于能量系统更具体方面的工程书籍很多。维基百科还包含一篇能源概述文章，其中包含许多链接。下面列出的一些概念目前还处于理论阶段，因此在关于当前能源使用或工程的参考书中没有得到很好的介绍。关于它们的信息主要可以在研究报告和科学/技术论文中找到。

机械能源

机械能包括由于先前做功而储存的能量，如压缩气体，以及由于位置（势能）和运动（动能）而存在的能量。处于轨道运动的物体具有势能和动能的组合。

A. 压缩气体

虽然压力容器严格意义上只是一种能量储存方法，但对于太空任务来说，储罐通常是预先装满的。因此，它们在飞行中充当近端能源。储存在加压储罐中的可用能量 W 可以从以下公式得出

W=p_{B}v_{B}\ln {\frac {p_{A}}{p_{B}}}

其中 B 代表高压，A 代表低压，p 和 v 分别代表压力和体积。因此，一个体积为 1 立方米的储罐，高压为 20 MPa，低压为 10 Mpa，将提供 13.8 MJ 的可用能量。压缩气体是一种低密度能量储存方法。它经常用于太空飞行器中，用于冷气推力器和加压液体燃料箱等任务。它最大的优势是简单，只需要一个储罐和一个阀门，并且可以快速释放储存的能量。当需要更大的总能量时，通常更喜欢更高的密度，但更复杂的系统。

B. 势能

势能是系统由于其位置或构型而做功的能力。在太空项目中，这通常是相对于大型物体（如行星）的重力井的位置。一个简单的假设例子是静止的空间电梯缆绳。在提升货物时，电力转换为高度的势能。在降低货物时，势能可以提取回电力。势能 U 的公式在第 1.1 节 - 物理学中给出，如下

U=-G{\frac {m_{1}M_{2}}{r}}

两个半径之间的能量差表示在该距离内储存或释放的势能。对于相对于距离 r 的半径（高度）变化很小的变化，势能差可以用平均重力（重量）乘以高度来近似。在行星表面，大量可利用的质量可以用来储存势能。在地球上，这通过水坝来实现水力发电。在其他天体上，一座山和一堆石头可以起到同样的作用。在山上下搬运石头可以用来储存或释放能量。

C. 动能

动能是物体由于运动而具有的能量。它的公式在第 1.1 节 - 物理 中给出为

KE={\tfrac {1}{2}}mv^{2}=Fd

其中 KE 是动能，m 是物体的质量，v 是速度。它也等于作用力 F 乘以作用力作用的距离 d。一个在轨道上的物体既有轨道速度的动能，也有高度的势能。在一个椭圆轨道上，它不断地用高度交换速度。因此它也交换势能和动能，但总能量保持不变。

旋转物体，如空间站或反应飞轮，在其绕轴运动中具有一种动能形式。旋转能量为 E(k)，其计算方法为

E_{k}={\frac {1}{2}}I\omega ^{2}

其中 $\omega$ 是以弧度/秒为单位的角速度， $I$ 是质量相对于旋转中心的惯性矩。惯性矩是物体抵抗扭矩或旋转力作用的量度。惯性矩越大，施加给定力时旋转速度越慢。惯性矩取决于旋转物体中质量的分布。质量的某一部分越远，其贡献就越大。惯性矩列表 中可以找到许多形状的公式。对于复杂形状，可以通过将其分成更简单的部分并对各个惯性矩求和来找到总惯性矩。

惯性矩公式的一些示例为

I={\frac {1}{2}}mr^{2}

用于实心圆柱体，

I=mr^{2}

用于空心薄壁圆柱体，以及

I={\frac {1}{2}}m({r_{external}}^{2}+{r_{internal}}^{2})

用于空心厚壁圆柱体

动能可以通过引力，如引力弹弓机动；或电磁力，如许多机电设备，转换为其他形式的能量。势能也可以通过奥伯斯效应在重力井深处消耗推进剂而转换为动能。

化学来源

化学来源是原子处于较高能态的排列，通过化学反应转换为较低能态，释放能量差。燃烧是释放这种能量的最常见方式，占人类总能量使用量的 80% 以上。电池的特点是可逆反应，因此同一个装置可以多次储存和释放能量。

D. 燃料-大气燃烧

地球大气，不考虑可变的水蒸气含量，含有 20.95% 的氧气 (O₂) 分子，它与许多其他化合物发生反应并释放能量。这种氧气是生物光合作用的副产物。在飞机的情况下，碳氢燃料（如煤油）与大气中的氧气在发动机中发生反应。由于只有燃料被运送到车内，所以释放的能量约为 43 MJ/kg，大约是两种成分都被运送到车内（如典型的火箭）的三倍。大气中大量的氧气是不稳定的，因为它具有很强的化学反应性。它在地球上只有在这种形式存在，因为植物不断地产生它。因此这种能源在其他天体上不可用。相反的选择在土卫六等拥有碳氢化合物大气的天体上是可用的。在这种情况下，氧气可以作为运送成分，与周围的大气燃烧。对于主要由 CO₂（金星和火星）组成的大气，它是燃烧的最终产物，或者对于根本没有大气的天体，这种能源是不可用的。

E. 燃料-氧化剂燃烧

传统火箭的能量来源是燃烧，燃料和氧化剂都来自内部来源。反应能量最高的成分，氢和氧，每公斤推进剂提供 15 兆焦耳。虽然比能低于 D. 燃料-大气燃烧，但它不受地球大气的限制。液体火箭发动机还具有非凡的功率重量比。这使得从像行星这样的巨大天体发射成为可能。燃烧也可以用作辅助动力装置中的辅助电源。由于能量释放速率非常高，燃烧在需要高功率水平时非常有用。燃烧发动机的效率通常为 1/3 到 2/3，因此当效率是重要因素时，可能会优先选择其他方案。

F. 化学电池

电池是一种将存储的化学能转换为电能的装置，在储能电池中，它还会反转反应。常见的化学电池示例包括汽车中使用的铅酸型和许多便携式设备中使用的锂离子型。根据电池类型，它们通常存储的能量小于 1 兆焦耳/公斤，远小于燃烧。多次循环能量进出电池的能力可以弥补较低的能量密度。国际空间站就是一个例子，它使用大型电池在轨道阴影部分提供电力。

燃料电池是一种电池类型，其中反应物存储在外部储罐中，而不是密封的电池外壳中。它可以具有很高的比能，因为储罐与电解质溶液相比重量轻。因此，燃料电池已用于太空项目，例如航天飞机轨道器。氢氧燃料电池与电解装置相结合，可以将产生的水再转化为氢和氧，从而提供比能在 3-10 兆焦耳/公斤范围内的储能。密封电池结构简单、可靠，可以制成非常小的尺寸。燃料电池具有更高的比能，但它们是更复杂的设备，因为它们需要阀门以及泵送和存储各种化学物质的方法。

热源

热能是系统由于温度而具有的内能。它来自构成系统的分子或其他粒子的动能和振动能，以及它们的吸引势能。热能可以储存起来以备后用，也可以从外部能量源中添加以供立即使用。我们感觉到高温是热，感觉到更高的温度是可见光。能量通过传导、辐射和对流自然地从高温区域流向低温区域。当存在温差时，一些热能可以转换为其他形式并使用。例如，蒸汽轮机从热蒸汽和冷却出口之间的温差中发电。

G. 热储床

对于像月球表面这样的地方，白天很长，夜晚也很长，太阳能在一半的时间里都不起作用。因此，在热能储存系统中储存热量可能是一个可行的选择。在白天将热量输入岩石，并在晚上将其从岩石中提取以驱动发电机。岩石床被封闭在一个容器中，气体将热量传递到涡轮机进行发电，并从太阳能收集器中进行储存。由于岩石可以从当地获得，因此每单位安装设备的储存能量相当高。月球夜晚的环境温度非常低，可以通过辐射器和地面以及白天太阳之间的隔热板来增强这种低温。因此，储存温度和排热温度之间的温差，以及效率，可以相当高。

一些天体，比如地球和木星的卫星木卫一，具有相对较高的内部温度。由于地表岩石的低热导率，它们充当天然热储床。热量的来源可能是放射性衰变或潮汐。这种能量可以通过钻探到高温区域并利用这些区域与地表温度之间的温差来利用。

H. 聚光

许多工业任务都需要加热，这在太空中很容易通过集中太阳光来完成。例如，对原材料进行加热以提取挥发物，或维持温度和生长能力以在火星温室中生长植物。浓度比决定了可以达到的最大黑体温度，最高可达光源的温度。以太阳为例，上限是太阳表面的温度，5,775 开尔文，减去反射损失和被加热物体的辐射损失。由于钽铪碳化物（已知熔点最高的物质）在 4200 开尔文时熔化，因此聚光太阳光应该足以用于大多数工业过程。

对于太空运输，反应质量也可以通过聚光太阳光或人造光来加热。可以比化学反应的排放产物使用更轻的分子，因此可以达到更高的性能。目前，由于没有足够强大的激光，所以它们在推进方面的应用受到限制，但太阳光在太空中随处可见。

电力来源

电是与电荷存在和流动相关的一组现象。常见的例子包括电流，以电子在导线中移动的形式出现，以及闪电，一种通过风暴中等离子体通道的强大静电放电。电是一种用途非常广泛的能源，因为它可以有效地转换为其他形式，可以控制微量和大量，并且可以相对容易地从一个地方移动到另一个地方。生产和分配电能的方法有很多。

I. 电力线

大多数太空项目都以某种形式使用电能。地球上的项目部分通常是最大的。其中包括生产车辆和航天器的工厂、发射场和控制中心。它们通常从电力传输和配电线路网络获得电力。这通过当地的电线分配到使用点。这三者之间的区别在于功率 P 的规模（以焦耳/秒或瓦特为单位）以及功率移动的电压和距离。大多数导线都有电阻抗 R，它是使用电压 V 传输电流 I 的难度的度量。它们的关系由以下公式给出

V=IR\qquad and\qquad P=VI

阻抗导致部分能量转换为热量。转换的功率 P 的大小由以下公式给出

P=I^{2}R

当需要高效地输送能量而不是加热时，你希望将阻抗加热降到最低。由于阻抗是材料的属性，因此根据此公式，你希望使用低电流 I。根据前面的公式，有用功率 P = VI，因此低电流意味着高电压。因此，长距离线路以更高的电压运行，并且变压器根据需要提供电压变化。

当发电点和用电点之间的距离很大时，同样的原则也适用于项目的太空部分。此外，质量通常是太空系统的一个因素。因此，除了最大限度地减少来自电阻和变压器效率的损失外，您还需要最大限度地减少电线的质量。国际空间站就是一个例子，发电和用电之间的平均距离约为 50 米。这是因为空间站被设计为一个零重力实验室，但太阳能电池板需要旋转以跟踪太阳。由于它们相当大，因此它们被放置在两侧，并配有旋转接头。此选项主要适用于固定位置，而不是车辆。这个距离并不大，不需要高压线路来提高效率。未来拥有更长电力线的项目示例包括在月球极地阴影陨石坑中开采水冰。陨石坑边缘的太阳能电池板可能会有持续的阳光照射，而采矿区则没有。因此，传输线可以弥合这一差距。另一个例子是火星基地的核动力源，用于夜间供电。在这种情况下，为了安全起见，电源与基地其余部分分开。最后，大型轨道栖息地和工业工厂可能会使用集中式发电机，这些发电机更轻、更有效，并且由于设施的规模，需要更长的电力线。

所有类型的电线都需要与其他系统元件和彼此隔离，以防止漏电、短路、电弧和安全问题。在地球主要存在的真空或非导电性大气中，可以通过机械间隙和电线的间距来提供隔离。当电线必须紧密间隔时，一个**绝缘体**可以提供隔离，间距和绝缘的组合也可以使用。

J. 电力发电机

一个**电力发电机**将机械能转换为电能。两种主要类型是**发电机**，它产生直流电，其中电子在一个方向流动；以及**交流发电机**，它产生交流电，其中电子在交替循环中双向流动。地球上大部分电力是由大型交流发电机产生的。机械能通过旋转轴进入设备，磁场的排列在导线线圈中感应出电流。机械能可以来自多种来源。在地球上，它通常来自高压蒸汽或落水作用于涡轮机，涡轮机的轴连接到发电机。在蒸汽的情况下，它是通过燃烧化石燃料或核反应堆产生的，最近还来自聚光太阳能。越来越多的**风力涡轮机**被用来发电。风使安装在中心轴上的气动叶片旋转，轴连接到发电机。

K. 磁存储

一些太空项目，例如地球的电磁发射，需要在短时间内提供非常高的电功率水平。这些功率水平可能超过电网的供应能力。磁存储在更长的时间内积累能量，然后在需要时快速释放。它使用一个 '超导或高电感/低电阻线圈将能量存储在磁场中。超导体消除了电阻加热损失，但需要低温制冷才能保持超导状态。对于某些目的，一个冷却到降低电阻但不是低温的大线圈可能就足够了。存储在磁场中的能量 E（以焦耳计）可以从以下公式得出

E={\frac {1}{2}}LI^{2}

L 是以亨利为单位的电感，I 是以安培为单位的电流。以这种方式存储能量会导致磁场对线圈的结构负载，因此总存储量受结构强度的限制。太空中的某些用途，例如脉冲等离子体推进系统，可以从较小的磁存储单元中受益，以便从较低功率的稳定源产生高功率脉冲。

L. 半导体

**光伏** 电池使用半导体材料将光（通常来自太阳）转换为直流电。这项技术正在迅速发展，并且有多种材料和技术（图 1.4-1）。截至 2015 年，使用多层捕获不同波长光的最佳研究电池的阳光转换效率已达到 46.0%。太空使用的生产面板由多个电池组成，效率接近 30%，而地球上更常见但成本更低的单层面板的效率通常为 20% 或更低。请注意，地球与太空的效率基于不同的太阳强度和光谱，因为地球大气层吸收了一些波长。

**热光伏** 器件将来自任何热物体的红外线和可见光转换为电能。它们使用与光伏电池相似的半导体，但针对较低温度的来源进行了优化。**热电发电机** 使用半导体将温差转换为电能。太空中最常见的用途是使用放射性同位素衰变产生的热量发电，在太阳能电池板笨重、不可用或光线太暗的地方，例如木星以外的地方。钚-238 等同位素以稳定的速率产生衰变热，热电电池将其转换为电能。对于太空应用来说，纯粹的效率并不是唯一的衡量指标。温度变化、辐射暴露和比功率（W/kg）也很重要。鉴于过去改进的趋势，预计半导体器件将继续改进，至少在短期内是这样。应该检查最新数据以了解当前性能。

（以下是旧的参考文献，应更新）

匿名“第十九届 IEEE 光伏专家会议会议记录 - 1987”，路易斯安那州新奥尔良，1987 年 5 月 4 日至 8 日。
匿名“NASA 会议出版物 2475：1986 年太空光伏研究与技术：高效率、太空环境和阵列技术”，俄亥俄州克利夫兰，1986 年 10 月 7 日至 9 日。
Chubb，Donald L.“组合太阳能光伏热机能量转换器”，推进与动力杂志，第 3 卷第 4 期，第 365-74 页，1987 年 7 月至 8 月。

M. 太阳驱动涡轮机/发电机

在太空中，迄今为止，大多数电力来自光伏发电，因为太阳能电池板重量轻，对于中小型功率来说很简单。对于大型功率，**布雷顿循环** 涡轮机已被提议，因为它们具有潜在的高效率和低质量。涡轮轴然后驱动一个电力发电机。循环的高温和低温将由太阳聚光器和散热器面板产生。**斯特林** 型发动机也已被提议用于太空使用。太空中阳光充足，用于集中阳光并为热机提供燃料的轻质反射器可能比光伏发电重量更轻。

（以下是旧的参考文献，应更新）

Spielberg，J. I.“太阳能外太空氦热机”，Appl。物理学通讯，第 4 卷第 4 期，第 279-84 页，1984-1985 年。

N. 天线阵列

整流天线，或称为天线整流器，是一种将电磁能量转换为直流电的天线。单个天线元件可以是偶极天线，在偶极天线的两臂之间连接一个二极管。入射电磁波会在偶极天线中感应出交变电流。由于二极管只能单向导通，因此会通过直流电。多个天线元件组合成阵列，以捕捉所有入射能量。天线整流器被提议作为远距离微波能量传输系统的接收元件，例如从地球轨道到地面。太空中有更多的太阳能，这导致尽管存在转换损耗，但在地面上可以获得更多的净能量。该波束还可以从地面传输到轨道，为卫星供电。

偶极天线的长度与入射能量的波长成正比。原则上，微观天线阵列可以通过与集成电路相同的制造方法来制作。这将允许直接转换红外或可见光。小型天线还处于研究的早期阶段。它们在远距离传输方面的优势在于，在给定距离内，发射器更小。相比之下，微波技术发展成熟，高效率的天线整流器转换已经得到验证。

波束源

熵是衡量系统无序程度的指标。方向性能量波束的熵很低，因为波束高度有序（平行）。可以从低熵系统中提取有用功。这会导致熵（无序）增加，通常表现为处于热平衡状态的原子的随机运动和随机热辐射。波束可以是自然的或人工的，由电磁波或粒子组成。能量波束可用于各种类型的波束推进，或为更静止的活动供电。

O. 阳光

随着与太阳距离的增加，大约在 1400 万公里或更远的地方，阳光变得高度方向性。源头，直径为 1392 万公里，然后填充天空中的一个小角度部分。在地球距离处，它看起来有 0.5 度宽。小角度允许定向反射作为一种受控的推进方法。它还允许通过透镜或镜子进行集中，以产生用于工业或推进目的的高温。该来源包括直接使用阳光，而电气来源下的项目则是指将阳光转换为电能。

太阳的中心温度约为 1570 万度 K，核心密度约为 160,000 公斤/立方米。在这些条件下，氢会发生核聚变生成氦，释放出 3.846 x 10²⁶ 瓦的能量。这种能量从核心向表面移动，此时温度降至 5780K。在这一点上，强度为 63.1 兆瓦/平方米。在更远的距离处，相同的能量流分布在更大的球形表面上，在地球处达到 1362 瓦/平方米。

在超过 550 个天文单位的距离处，太阳充当引力透镜，将其他恒星的光汇聚到一个焦点。从太阳边缘更远处经过的光弯曲程度更小，并且在更远处汇聚。这会从天空中的每颗其他恒星或光源创建一个集中光的径向焦点线。同样的过程也发生在其他所有有可见邻近恒星的恒星周围。这些星线可能足够强烈，因为它们将来自一颗恒星整个圆周的光集中到一个点。

P. 激光

激光通过受激辐射光放大过程发射光。激光的输出是相干的和准直的，使其能够被紧密聚焦，或在长距离内传播而不会散开。输出也可以在非常窄的波长范围内。由于波长狭窄，它可以有效地耦合到吸收器，或用于该特定波长的高反射率反射器。它也可以高效地耦合到光伏器件。作为推进的能量来源，它可以提供比恒星等自然来源更强烈的光。人们曾提议从地球发射高功率激光，但目前还没有足够功率的激光来实现这种实际应用。低功率激光可以增强照射在航天器太阳能电池板上的自然阳光。有人建议利用太阳的引力聚焦的超高功率激光为星际飞船提供动力，但这项用途将在遥远的未来。

Q. 微波

此能量来源涉及直接使用微波束，而项目 N. 天线整流器阵列将其转换为电能。微波束可以被吸收并直接转换为热量，也可以用于产生光子压力。任何合适的波长都可以用来产生定向能量波束。但是，某些波长会被地球或其他大气吸收。较短的波长更容易聚焦，因为这取决于天线尺寸与波长的比例。产生较短波长的效率通常较低，并且可能无法获得具有足够功率以供实际使用的发电机。微波频段设备已经足够发达，不会受到这些限制。

R. 中性粒子

粒子束是一种准直的高能粒子流，用于将能量从一个地方传递到另一个地方。该概念最初是作为武器开发的，但更低致命剂量的能量可以用作能源。带电粒子，例如粒子加速器中的质子相互排斥，因此一旦离开加速器的束缚，束就会散开。为了防止这种情况，带电粒子被允许与电子结合形成中性原子，或者使用中性粒子，如中子。粒子束处于发展的早期阶段，主要用于军事用途，而不是能量传递。

核源

核能源涉及一种或多种类型的原子核的变化，并释放出净能量。原子核中的质子和中子由强核力束缚在一起。它们的排列方式发生改变通常会涉及比重新排列电子（化学反应所做的事情）多一百万倍的能量。因此，核能源具有非常强大的潜力。虽然太阳通过核聚变运行，但我们认为它是一个光能来源。聚变发生在太阳的核心，在那里它是无法触及的，而到达我们的是来自表面的黑体辐射。

S. 放射性衰变

放射性衰变是不稳定原子核通过发射粒子或电磁能量自发改变的过程。不稳定的天然元素是在太阳系形成之前产生的，很可能是在超新星爆炸中产生的。那些不太不稳定的元素，如铀和钍，在数十亿年后仍然存在，并继续以稳定的速率衰变。人工放射性物质，如钚-238，是在核反应堆或粒子加速器中产生的。它们不太稳定，因此衰变速度更快（钚-238 的半衰期为 88 年）。这种元素在新鲜时通过放射性衰变产生 500 瓦/公斤的热量，使其成为有用的能源。它已在许多行星探测任务中用于此目的。其他在自然状态下具有很长衰变时间的元素太弱，无法用作能源。

[这是一个旧的参考，应该更新]

Lockwood, A.; Ewell, R.; Wood, C. "Advanced High Temperature Thermo-electrics for Space Power", Proceedings of the 16th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, v 2 pp 1985–1990, 1981.

T. 核裂变

某些元素的自然衰变率很低，可以通过人工方法提高。核反应堆是一种以受控方式进行此操作以产生能量的装置。主要有两种方法：核裂变，将重原子核分裂成更小的部分，以及核聚变，将较轻的原子核合并形成较重的原子核。这两种方法的原因可以在核结合能（图 1.4-2）中找到。较高的结合能意味着粒子结合得更紧密，更稳定，因此在形成该原子核时可以释放能量。结合能以铁-56 为峰值，因此从轻端（聚变）或重端（裂变）向中间的反应都会产生能量。裂变反应堆是地球上重要的电力来源。在太空中，已经使用过一些小型反应堆，并且正在努力开发更高功率需求的大型反应堆。

[这些是旧的参考文献，应该更新]

El Genk, M.S.; Hoover, M. D. "Space Nuclear Power Systems 1986: Proceedings of the Third Symposium", 1987.
Sovie, Ronald J. "SP-100 Advanced Technology Program", NASA Technical Memorandum 89888, 1987.
Bloomfield, Harvey S. "Small Space Reactor Power Systems for Unmanned Solar System Exploration Missions", NASA Technical Memorandum 100228, December 1987.
Buden, D.; Trapp, T. J. "Space Nuclear Power Plant Technology Development Philosophy for a Ground Engineering Phase", Proceedings of the 20th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference vol 1 pp 358-66, 1985.

U. 人工核聚变

自然聚变发生在恒星中，产生的光输出已经在上面针对束缚功率源进行了讨论。此项是针对人工能源的。聚变在核弹中短暂地实现过，但稳定状态运行已被证明很困难。研究最多的方法是使用托卡马克，这是一种环形的磁场，可以容纳热等离子体。这种方法还没有产生工作装置，尽管已经建造或正在建造各种研究机器。托卡马克型动力反应堆对于合理的推进系统来说太大了。对于固定项目而言，它在另一个星球上和在地球上一样合理。许多替代性间歇性和稳定状态聚变装置正在进行不同程度的研究，但所有这些装置的资金都远低于投入托卡马克型装置的工作。其中一些可能会产生足够轻的装置用于推进。

所有聚变反应都将轻原子核结合成更重的原子核。如图 1.4-2 所示，最大的能量释放发生在前几个元素中，从氢到硼。实现聚变需要将带正电的原子核足够靠近，以克服它们的静电斥力，让核力接管。这需要相当于数百万摄氏度的温度，或粒子动能达到数十千电子伏特（keV）。

[这些是旧的参考文献，应该更新]

Miley, G. H. et al "Advanced Fusion Power: A preliminary Assessment, final report 1986-1987". National Academy of Sciences report #AD-A185903, 1987.
Eklund, P. M. "Quark-Catalyzed Fusion-Heated Rockets", AIAA paper number 82-1218 presented at AIAA/SAE/ASME 18th Joint Propulsion Conference, Cleveland, Ohio, 21-23 June 1982.

V. 介子催化聚变

介子催化聚变是一种在远低于数百万摄氏度的温度下催化聚变反应的方法。一束介子被引导到氘/氚混合物中，在那里它们引起多次聚变反应。这使气体加热，然后可以驱动发电机发电。虽然这种方法和基于它的更复杂的系统从物理角度来看是合理的，但从工程角度来看，还没有开发出实用的系统。目前，它必须被视为一种可能的未来能源。

W. 核爆炸

不幸的是，爆炸性的核武器已经发展得非常成熟。人们提出了各种概念来利用它们的高能量输出进行太空项目。这些包括核动力发射装置，其中爆炸物在地下室加热气体。然后，它将弹丸向上推入炮管。另一个想法是在航天器后面引爆小型核爆炸，用爆炸波直接推动它。这些概念目前还处于推测阶段，因为无法在地球上安全地对其进行测试，而且条约禁止在太空使用核武器。

物质转换源

在物理学中，质能等价是质量与能量通过公式 E = mc² 相关的概念。由于光速 c 很大——2.998 亿米/秒，平方非常大：8.9875 x 10¹⁶ 焦耳/公斤。这等于每公斤质量转换为能量的核电站 2.85 年的输出。理论上，物质总转换提供每单位质量最高的能量。然而，在实践中，这并不容易。

X. 反物质

反物质由反粒子组成，反粒子的质量与普通粒子相同，但电荷和其他性质相反。当粒子与反粒子相遇时，它们会相互湮灭，并转化为其他粒子或光子，在此过程中释放大量能量。我们的宇宙几乎完全由物质构成。因此，要使用这种物质作为能源，需要人工制造。这至少需要与湮灭后释放的能量一样多的能量。因此，反物质是一种极端的能量存储形式。今天，反物质在粒子加速器中以少量制造，并用于物理学研究。我们还没有实际的方法来制造和存储足够大量的反物质用于太空项目。从概念上讲，航天器会存储一定量的反物质，然后用它来产生能量用于推进。如果存储系统足够轻，那么每单位质量的能量将高于核聚变或其他方法。

[这些是旧的参考文献，应该更新]

Hora, H.; Loeb, H. W. "Efficient Production of Antihydrogen by Laser for Space Propulsion", Z. Flugwiss. Weltraumforsch., v. 10 no. 6 pp 393-400, November-December 1986.
Forward, R. L., ed. "Mirror Matter Newsletter", self published, all volumes, contains extensive bibliography.

Y. 黑洞

黑洞是时空中一个引力非常强大的区域，以至于任何东西都无法从内部传播到外部。黑洞可以进行两种形式的能量提取。第一种是吸积能量，它是由于黑洞周围吸积盘中的物质因摩擦而加热并释放能量而产生的。它本质上是将势能转化为热能。由于黑洞的引力势能极强，因此这可以释放大量能量。第二种是霍金辐射，它通过假设的量子黑洞的量子隧穿产生。黑洞可以通过一颗大质量恒星在其生命末期坍缩而形成，或者通过星系中心足够致密和巨大的区域而形成。量子黑洞更小，据推测是在宇宙诞生时形成的。已知最接近的恒星质量黑洞距离地球 2800 光年，而量子黑洞尚未被发现，也没有已知的方法可以制造它们。因此，目前使用黑洞进行太空项目是理论上的。