第 2.7 节 - 高能粒子发动机
粒子发动机的性能通常非常好，因为粒子的速度很高。高速也需要大量的能量，因为粒子的动能与速度的平方成正比。
粒子火箭的特点是发射来自内部源的粒子，而下一节，外部粒子相互作用，涵盖了利用环境中粒子（无论是天然的还是人造的）的方法。
其他名称：猎户座
类型：核爆炸产生的原子粒子
描述：一系列小型原子弹产生碎片/粒子，这些碎片/粒子会推挤一个板/减震器装置。减震器将爆炸脉冲均匀化成对车辆的稳定加速度。这种方法的问题不在于技术可行性，而在于在地球附近使用它以及携带大量核武器的风险，更不用说船员和货物辐射水平了。优点是巨大的潜在有效载荷和高加速度。一种可能的应用是移动危险的小行星。这不需要很多炸弹，推进板/减震器可以用小行星金属制成，甚至可以用你要移动的小行星制成。
其他应用可能包括在太阳系外移动大量材料或开始星际旅行。远离地球，添加到环境中的辐射问题就不那么重要了，因为太阳和宇宙辐射已经大量存在。
状态：原子弹已得到充分测试（不幸的是）。推进板技术的演示是在小型规模上使用常规炸药完成的。
变体
- 54a 反物质催化脉冲核 - 这种推测方法使用反物质触发钚靶的内爆。理论上，这将使临界质量降低到约 2 克，从而显著降低脉冲核的尺寸阈值。
- 54b 内爆驱动脉冲核 - 标准裂变弹由化学内爆触发。这种方法用激光、离子束或其他外部驱动器来代替化学内爆来压缩燃料负载。它有可能通过比化学物质所能达到的更强的压缩来降低临界质量，或者通过使用不同的同位素。
参考文献
其他名称：微聚变发动机
类型：由裂变或聚变反应堆产生的原子粒子
描述：目前正在探索两种主要的聚变能方法。磁约束将高温等离子体保持在或多或少稳定的状态下，足够长的时间以使聚变反应产生净能量。惯性方法使用激光或粒子束压缩燃料颗粒，使其达到高压和高温，从而使聚变反应非常快地发生，之后它会迅速膨胀。这两种方法都可以应用于太空推进。磁约束在聚变加热等离子体发动机中进行了讨论，而这种方法则侧重于惯性约束。
燃料颗粒由一个聚变核心材料（例如氘/氚混合物）组成，该材料被一个衬里包围，以最佳方式吸收激光或粒子束能量。可选地，裂变外壳包围聚变核心。这类似于聚变原子弹的排列。或者，粒子束可以由可裂变重离子或可聚变轻元素离子组成，甚至可以由高度加速的惰性或反应性燃料的固体颗粒组成。所有情况下最终结果都是一团迅速膨胀的、高能粒子云。这些粒子被形状磁场或推进板引导，以产生推力。推力可以通过你生成爆炸的频率来改变。
状态：惯性约束聚变正在被研究用于发电。化学内爆也是大多数核弹引爆的方式。
变体：通过组合可以实现多种变体
- 压缩源：激光、粒子/离子束或固体颗粒，
- 中心目标类型：在碰撞颗粒的情况下没有，裂变和/或聚变燃料成分，
- 颗粒衬里类型：没有或是什么材料，以及
- 推力方法：物理或磁性喷嘴
参考文献
其他名称
类型：放射性衰变产生的原子粒子
描述：放射性元素覆盖薄板的一侧，该薄板能够吸收阿尔法粒子。发射到板中的粒子被吸收，而朝相反方向发射的粒子则逃逸，提供净推力。优点是这是一个简单的装置，板的加热可以通过热电或热机产生电力作为副产品。缺点是推力低，并且你无法关闭放射性。你需要关闭两个板，使它们彼此面对以抵消推力，并像打开书一样打开它们来开启推力。
状态：阿尔法发射器是众所周知的。将它们用于推进目前还处于理论阶段。
变体：放射性材料的选择允许广泛的推力水平。
参考文献
其他名称
类型：由裂变反应堆产生的原子粒子
描述：包含可裂变材料的细丝被排列成允许裂变产生的核碎片逃逸。它们被允许自然衰变以产生低推力装置，或者被排列成核临界排列以产生高推力。碎片通过静电场或电磁场瞄准，使它们主要从推进器的后端出来。由于碎片的速度非常高，因此性能非常高。裂变衰变往往会损坏细丝的制作材料，因此需要为长期使用提供更换或重塑细丝的措施。
状态：目前仅限于理论。
变体
- 57a 反物质帆 - 反质子被引导到涂有可裂变材料（如铀）的帆上。它们的负电荷使它们能够被捕获在原子的电子壳层中，然后通过与原子核中的一个质子湮灭而引起裂变。一个裂变碎片被帆吸收，而另一个裂变碎片以光速的百分之几的速度飞走，产生推力。
参考文献
- 基于尘埃等离子体的裂变碎片核反应堆 Clark and Sheldon, Joint Propulsion Conference, 2005.
其他名称
类型：由聚变反应堆产生的原子粒子
描述：已经提出了各种热核聚变反应堆。聚变反应的结果是高能粒子，原则上可以利用这些粒子进行推进。这与 52 聚变加热等离子体发动机不同，因为它除了聚变反应物之外没有添加额外的燃料。而是直接使用高温等离子体或逃逸的带电粒子作为火箭排气。由于截至目前尚未实现聚变反应的收支平衡，因此这仍然是一个理论概念。
实际包含聚变等离子体的具体方法将影响火箭的设计及其可行性，特别是装置的质量。托卡马克或仿星器等离子体约束装置将带来最大的问题，因为它们在用于推进时会吸取等离子体，而且它们自身的重量很大，会导致推力质量比不理想。使用高功率激光或 X 射线对小型目标进行惯性约束聚变可能更容易融入推进装置，但目前惯性约束聚变项目中激光器和 X 射线发生器体积庞大，会导致同样的推力质量比问题。
状态：聚变领域正在进行大量研究。太空推进的应用理论上可行。除了对磁约束聚变和惯性约束聚变的大量资金投入，还有一些其他途径，但资金投入较少。
变体
- 58a 磁约束 - 与托卡马克聚变反应堆类似的腔室中的等离子体被故意泄漏到磁性喷嘴。
- 58b 惯性约束 - 燃料颗粒被激光、电子束或离子束加热和压缩。融合后，产生的等离子体被磁性喷嘴引导。
- 58c 静电约束 - 聚变燃料被约 100 千伏的球形势阱约束。当燃料发生反应时，粒子以约 2 兆电子伏特的能量被喷射出来，因此会逃逸出势阱。势阱位于抛物面壳体的焦点处，该壳体将聚变粒子反射到后方形成窄束（20-30 度宽度）。
- 58d 等离子体幔约束 - 聚变燃料被包含在一个环形/极向电流模式中，类似于托卡马克，只是所有电流都在等离子体中。电流模式周围是一个等离子体鞘层，它将燃料与周围的工作流体隔开。流体提供机械压缩，将燃料加热到聚变点火。燃料燃烧完成后，产生的能量将工作流体加热到高温，然后流出喷嘴产生推力。
- 58e 密等离子体聚焦 - 在径向排列的高电流放电会导致等离子体塌缩到高温高压。该技术正在由劳伦斯维尔等离子体物理公司在新泽西州米德尔塞克斯郡开发。据报道，该装置的聚变能量为 0.044 焦耳，而电容器能量为 50 千焦耳。输出能量与输入能量之比是衡量该装置距离实际运行的距离。
- 58f 磁化靶聚变 - 碰撞的等离子体球被机械驱动器产生的声波进一步压缩。通用聚变公司在加拿大温哥华附近正在研究这种方法。
参考文献
- Freeman, M. "Two Days to Mars with Fusion Propulsion", 21st Century Science and Technology, vol 1, pp 26-31, Mar.-Apr. 1988.
- Kammash, T.; Galbraith, D. L. "A Fusion-Driven Rocket Propulsion Scheme for Space Exploration", Trans. Am. Nucl. Soc. vol 54 pp 118-9, 1987.
- Mitchell, H. M.; Cooper, R. F.; Verga, R. L. "Controlled Fusion for Space Propulsion. Report for April 1961-June 1962", US Air Force report number AD-408118/8/XAB, April, 1963.
- 惯性约束
- Kammash, T.; Galbraith, D. L. "A Fusion Reactor for Space Applications", Fusion Technology, v. 12 no. 1 pp 11-21, July 1987.
- Orth, C. D. et al "Interplanetary Propulsion using Inertial Fusion", report number UCRL--95275-Rev. 1: 4th Symposium on Space Nuclear Power Systems, Albequerque, New Mexico, 12 January 1987.
- Hyde, Roderick, "A Laser Fusion Rocket for Interplanetary Propulsion" , LLNL report UCRL-88857. Topics include
- - 聚变靶丸设计：燃料选择。能量损失机制。靶丸压缩指标。
- - 推力室：磁性喷嘴。屏蔽。氚增殖。热建模。聚变驱动器（激光器、粒子束等）：热量排放。
- - 飞船概览：质量估算。
- - 飞船性能：星际旅行需要处于聚变能力极限的排气速度。行星际任务受功率/重量比限制。轨道建模。典型任务概要。参考资料，包括 1978 年发表在 JBIS 上的“代达罗斯计划”报告，以及关于 ICF 和驱动器技术的几份报告。
- Bussard, Robert W., "Fusion as Electric Propulsion", Journal of Propulsion and Power, Vol. 6, No. 5, Sept.-Oct. 1990. 摘要：聚变火箭发动机被分析为电推进系统，其推进推力-功率输入功率比（推力功率“增益”G(t)）远大于 1。传统（太阳能、裂变）电推进系统的增益值始终很小（例如，G(t)<0.8）。对于这些系统，无法实现“高推力”行星际飞行，因为系统加速度（a(t)）能力始终小于局部重力加速度。相反，一些聚变概念的增益值高出 50-100 倍，为“高推力”飞行提供了可能性。一个性能示例展示了单级地球/火星飞行器的 53.3 天（34.4 天动力飞行；18.9 天滑行）单程飞行时间，有效载荷率为 19%。另一个示例展示了在地球/月球空间进行高加速度（a(t)=0.55g(o)）飞行的潜力。）
- 静电约束
- Bussard, Robert W., "The QED Engine System: Direct Electric Fusion-Powered Systems for Aerospace Flight Propulsion" by Robert W. Bussard, EMC2-1190-03, available from Energy/Matter Conversion Corp., 9100 A. Center Street, Manassas, VA 22110. Summary: This is an introduction to the application of Bussard's version of the Farnsworth/Hirsch electrostatic confinement fusion technology to propulsion. 1500<Isp<5000 sec. Farnsworth/Hirsch demonstrated a 10**10 neutron flux with their device back in 1969.
- 等离子体幔约束
- Koloc, Paul M., "PLASMAKtm Star Power for Energy Intensive Space Applications", Eighth ANS Topical Meeting on Technology of Fusion Energy, Fusion Technology , March 1989.
此笔记已有 20 年历史，需要更新：无中子能量（聚变产生的中子通量很小或可以忽略不计）需要等离子体压力和稳定的约束时间，而目前的方案无法提供这些条件。如果等离子体压力能够达到毫秒量级的燃烧时间，那么就可以实现高功率密度，并获得用于太空和其他特殊应用的非常紧凑、相对清洁的燃烧发动机。PLASMAKª 的创新将使这成为可能；其独特的压力效率结构、出色的稳定性、流体力学可压缩幔层和直接感应式 MHD 电力转换优势已得到描述。每立方厘米数十兆瓦的峰值燃烧密度使其即使在多吉瓦特电力输出规模下也保持紧凑。工程优势表明，在非常低的成本下，可以快速开发。 （我强烈建议人们认真对待这个家伙。Bob Hirsch 是托卡马克的主要倡导者，最近他宣布 Koloc 的 PLASMAKª 前身——球形磁体——是三种有前途的聚变技术之一，应该被优先考虑，而不是托卡马克。除了前述的权威论据外，PLASMAKª 看起来终于用可靠的 MHD 物理学对球状闪电进行了建模。——Jim Bowery)
- 密等离子体聚焦
- Lerner, Eric et al, Fusion Reactions from >150 keV Ions, Physics of Plasmas, v 19 issue 3, March 2012.
59 中性粒子束推进器
[edit | edit source]其他名称
类型
描述：高能（约 50 兆电子伏）粒子加速器产生质子束。该束被中和（与电子结合形成中性原子），然后被喷射出去。排气速度接近光速的很大一部分，因此性能非常高。这种类型的机器在美国导弹防御计划中作为一种摧毁导弹（用束）的方法进行了探索。这种方法所需的太空推进能量超过核聚变所能提供的能量，因此只有在使用反物质或外部电源（例如激光）时才有意义。
状态：这种能量的粒子加速器自 20 世纪中期就已存在。限制这种方法的是缺乏电源，因此它尚未经过测试。
变体
- 59a 接近光速探测器 - 如果粒子加速器产生非常高能量的质子，使得相对论质量增加显著，并且电源是位于源星的非常强大的激光器，并且使用该星体作为引力透镜进行聚焦，那么火箭方程不再约束最终速度。接近光速的速度将是可能的，并且可以通过将加速器指向相反的方向来实现停止。在这种情况下，加速度受功率转换和粒子加速器硬件的功率质量比的限制。
参考文献
60 反物质湮灭
[edit | edit source]其他名称
类型
描述：原子和反原子（或它们的组成粒子）湮灭，产生介子，然后是μ子，然后是γ射线。带电粒子可以被磁性喷嘴作用。γ射线可以被容器吸收，产生的热量可以用来提供能量。反物质提供了理论上最高的能量燃料（100% 的物质-能量转换），尽管储存反物质涉及的开销可能会将实际效率降低到与其他推进方法相当的水平。
状态：少量反物质已在粒子加速器实验室中被创造出来并被暂时储存。目前，人们认为反物质在自然界中不存在大量存在。
变体
- 维基百科文章：红移火箭
参考文献
- Forward, Dr. Robert L. Antiproton Annihilation Propulsion, AFRPL TR-85-034 from the Air Force Rocket Propulsion Laboratory (AFRPL/XRX, Stop 24, Edwards Air Force Base, CA 93523-5000). NTIS AD-A160 734/0 注意：这是一项关于制造、储存和使用反物质进行近中期（30-50 年）推进系统的技术研究。优秀的参考书目。Forward 是反物质最知名的倡导者。这可能也可作为 UDR-TR-85-55 从承包商那里获得，即代顿大学研究所以及 DTIC AD-A160 从国防技术信息中心、国防后勤局、卡梅伦站、弗吉尼亚州亚历山大市 22304-6145 获得。它也可以从 NTIS 获得，但号码不同。
- G. D. Nordley, Application of Antimatter - Electric Power to Interstellar Propulsion, Journal of the British Interplanetary Society, June 1990.
B. 外部粒子相互作用
[edit | edit source]61 磁帆
[edit | edit source]其他名称
类型
描述：磁帆的工作原理是在太阳风或行星离子流中放置一个大型超导回路。电流回路产生磁场，该磁场偏转离子，产生反作用力。由于回路覆盖了很大的面积，而这大部分是空的，因此它可以在给定的质量下产生相对较大的力。它的方向和强度受当地太阳风或离子流的限制。
状态：磁场与离子流的相互作用已被充分理解。这种方法的可行性取决于足够有效的方案设计。截至 2012 年，尚未进行过测试。
变体
参考文献
其他名称
类型
描述： 一个远程粒子束源将其指向目标车辆。粒子要么被吸收要么被反射以直接产生推力，或者它们的动能被用作其他类型推进的电源。主要问题是保持光束足够窄以成为有用的能量传递方式。
状态：截至 2012 年尚未测试
变体
参考文献
其他名称： 巴萨德冲压发动机
类型
描述： 一个大型漏斗或进气口用于压缩星际气体，然后将其送入聚变反应堆以进行推进。由于星际介质密度低，因此需要一个极其巨大的收集器才能获得任何有用的推力。性能受聚变反应排气速度的限制，仅为光速的百分之一。换句话说，收集气体会导致阻力，而在反应堆排气速度下将不会有净推力。这使得该系统成为一个有效的减速器，方法是将排气口指向前方。在这种情况下，阻力和反向推力都会起到减速车辆的作用。星际气体密度的变化会影响这种方法的可行性。通过部分使用内部燃料运行反应堆，这种类型的车辆可以达到足够高的速度，以使收集器开始工作，然后达到更高的速度。通过使反应堆使用比收集的燃料更少的燃料，它可以实现自供给。
状态：尽管该概念可以追溯到 1960 年，但由于缺乏实用的聚变反应堆，它尚未得到测试。
变体
参考文献
[D77] R. W. Bussard, "Galactic Matter and Interstellar Flight", Astronautica Acta 6 (1960): 179 - 194.
[D78] A. R. Martin, "The Effects of Drag on Relativistic Spacefight", JBIS 25 (1972):643-652
[D79] N. H. Langston, "The Erosion of Interstellar Drag Screens", JBIS 26 (1973): 481-484.
[D80] D.P. Whitmire, "Relativistic Spaceflight and the Catalytic Nuclear Ramjet", Acta Astronautica 2 (1975): 497 - 509.
[D80] C. Powell, "Flight Dynamics of the Ram-Augmented Interstellar Rocket", JBIS 28 (1975):553-562
[D81] D.P. Whitmire and A.A. Jackson, "Laser Powered Interstellar Ramjet", JBIS 30 (1977):223 - 226.
[D82] G. L. Matloff and A. J. Fennelly, "Interstellar Applications and Limitations of Several Electrostatic/Electromagnetic Ion Collection Techniques", JBIS 30 (1977):213-222
其他名称
类型
描述: 与星际冲压发动机类似，星际介质被压缩到聚变密度和温度。在这个概念中，它只在横向压缩，然后在喷嘴上重新膨胀。为了达到聚变条件，需要不可思议的车辆尺寸和长度，但由于横向压缩不会像完全压缩那样造成阻力，因此不受排气速度的限制。因此速度可能达到光速的相当一部分。
状态
变体
参考文献
其他名称
类型
描述: 任何在开始时存储所有燃料的推进系统，其燃料需求量会随着速度呈指数增长。如果添加的燃料通过粒子或颗粒流交付，无论是从后面还是放置在前面，那么这种指数需求就会变成线性需求。这是因为在每个点上，车辆只加速自身（加上少量燃料），而不是车辆加上整个任务的所有燃料。在后一种情况下，您是在早期使用燃料来加速后来的燃料，这会导致指数开销。
状态
变体： 就交付的燃料类型以及它是否形成粒子流、离散颗粒或燃料容器罐而言，有很多变体是可能的。顺便说一句，这也可用于除燃料以外的其他类型的供应，但这属于工程方法部分。
参考文献
- "So You Wanna Build A Rocket?" at Project Rho gives quick estimates for a variety of atomic rockets -- including the Bussard Ramjet, the Nuclear Lightbulb, the Nuclear Salt Water Rocket, the magsail, etc. -- and related engineering challenges -- including radiation sheilding, space suits, etc.
- "The Relativistic Rocket" in the Physics FAQ describes some of the relativistic effects of traveling close to the speed of light, and one way to calculate "How much fuel is needed?".