第 2.6 节 - 离子推进器和等离子体推进器
燃烧型发动机在温度方面受到限制，因此气体排气速度也受到限制，无论是燃料的化学能还是发动机材料的熔点。离子推进器和等离子体推进器通过以下一种或多种方法绕过了这些限制，并实现了更高的速度：使用外部能源、降低能量密度以限制发动机加热，或使用磁场等非物质约束来引导气流。这些方法也往往使离子推进器和等离子体推进器比燃烧型发动机更重，因此它们不用于从高重力天体发射。相反，它们在轨道上或远离引力阱的地方运行，那里已经存在低重力环境。
离子推进器和等离子体推进器都涉及高能粒子。区别在于密度。在前者中，粒子单独起作用，而在后者中，它们足够密集，需要将它们视为流动的介质。
其他名称
类型
描述：静电离子推进器通常的工作原理是首先电离推进剂，然后使用电压梯度加速离子。它们能够实现很高的排气速度（30-50 km/s），但能量密度和推力相对较低，以防止产生热量和腐蚀产生电压差的网格。由于两个平面网格之间的电压梯度是均匀的，因此离子束在没有喷嘴的情况下也能很好地定向。仅排放正离子会在发动机上产生净电荷，因此离子发动机还配备电子枪来平衡发射的电荷。
所有离子发动机都需要外部电源。已经提出了一些电源变化方案，但只有太阳能-电力推进器被实际使用。由于电离仅仅是移除了一个电子，但并没有加速离子，因此它代表了发动机效率的损失。因此，离子发动机倾向于选择原子量相对于电离能较高的燃料。由于大多数原子量高的元素是固体，因此通常选择汞和氙，有时如果在寒冷环境中运行或希望达到非常高的排气速度，也会选择氩。
状态：近年来，一些通信卫星和星际航天器已经使用了离子推进器。
变种
- 48a 太阳能-电力推进器 - 阳光由光伏阵列转换成电能。电能用于通过静电电压电离和加速推进剂。
- 48b 热电离子推进器 - 放射性同位素衰变产生热量。热量由半导体转换成电能。电能电离并加速发动机中的原子。
- 48c 激光-电力推进器 - 调整到光伏电池最佳吸收波长的激光提供能量。电池将激光光转换为电能，用于为离子发动机供电。然后，离子发动机电离并加速推进剂。使用激光的目的是获得比自然阳光提供的更高的功率水平。
- 48d 微波-电力推进器 - 航天器上的微波接收天线或整流天线将微波转换为电能。电能用于电离和加速原子。微波天线可以重量轻，但运行距离受到长波长聚焦能力的限制。
- 48e 核能-电力推进器 - 核反应堆产生热量，热量在热电或涡轮/发电机循环中转换为电能。电能用于电离推进剂并通过静电电压加速推进剂。这更适合高功率应用和太阳光较弱的外太阳系位置。
- 48f 电喷雾推进器 - 一种离子液体从类似于喷墨打印机的毛细管喷嘴中发射出来。然后，高压电极加速带电液滴。这适用于非常小的推进器水平，用于小型航天器或转向，因为光刻可以用来制造微小的喷嘴。
- 48g 胶体推进器 - 此方法加速的不是单个离子，而是相对较重的胶体带电粒子。
参考文献
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- 电喷雾推进器
- 微型推进系统，用于非常小的卫星，洛桑联邦理工学院微系统太空技术实验室。
其他名称
类型
描述：阳光由光伏阵列转换成电能。电能通过推进剂流产生电弧，将其加热成等离子体。然后，推进剂通过喷嘴膨胀。喷嘴没有使用特定的防热措施。电弧喷射法使用相对较低的能量密度和推力水平，以及厚壁耐火金属作为燃烧室和喷嘴。使用联氨或氨等液体燃料可以达到约 6-8 km/s 的排气速度。
状态：电弧喷射发动机已用于航天器，并且在地球上通常用作切割金属的等离子体炬。
变种
- 脉冲等离子体推进器 - 通过在两个电极之间用电弧烧蚀特氟龙材料来工作。洛伦兹力将材料加速出去作为推力。
- 真空电弧推进器 - 通过真空电弧蒸发和电离阴极材料来工作。等离子体向外加速作为推力。
- 磁等离子体动力推进器 - 通过中心阴极和外壳阳极之间的电弧工作。它们之间的流动气体被电离并通过电流和磁场相互作用产生的洛伦兹力加速。
参考文献
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- Pivirotto，T. J.；King，D. Q. "用于空间推进的热电弧喷射技术", 化学推进信息机构，马里兰州劳雷尔，1985 年。
其他名称
类型
描述: 高压（数百 keV）电子束被轴向注入推进剂流。电子束将流加热到等离子体温度，从而产生高比冲。冷气体沿着腔室壁注入以提供薄膜冷却并保护腔室免受极高温等离子体的损害。
状态
变种
参考文献
其他名称: 电子回旋共振吸收火箭，可变比冲磁等离子体火箭 (VASIMR)，螺旋等离子体推进器
类型
描述: 部分电离的气体直接吸收微波，变得很热，然后通过火箭喷嘴膨胀。为了防止高温等离子体损坏发动机，使用磁场进行约束，通常使用超导体来提高效率。当前版本使用氩气作为推进剂，但其他气体也应该可以通过调整工作。可以使用未加工的岩石作为燃料。
状态: VASIMR 正在进行地面测试
变种
参考文献
- 2012 年 3 月 27 日，来自 Ad Astra Rocket Company 关于替代燃料的个人交流。关于其推进器的广泛出版物链接到主描述页面。
其他名称
类型
描述: 纯粹的核聚变火箭的排气是稀薄的、极度高温的等离子体，它提供了非常高的性能。如果需要更高的推力，可以将氢与等离子体混合。这会以性能为代价增加推力。通过改变混合比例，可以在任务期间根据需要调整性能与推力之间的关系。
状态: 核聚变发动机等待实用核聚变反应堆，截至 2012 年，这些反应堆仍处于研究阶段。
变种
- 反应堆泄漏混合 - 一些核聚变反应等离子体泄漏到约束场之外。这可能是反应粒子和未反应燃料的混合物。泄漏可以直接用作发动机排气，或者与更多物质混合，以在较低性能的情况下获得更高的质量流量/推力。
- 等离子体核心混合 - 核聚变核心等离子体可以有意地播种非反应物质，这些物质在反应中被加热。一定百分比的物质从核心排出以产生推力，同时将新的燃料添加到核心。这种方法的潜在优势是消除了在反应器之后添加质量的混合问题。核聚变发动机产生非常高的排气速度，因此尝试将更多物质混合到流中可能需要非常大的发动机部件。否则，流可能在有混合机会之前就消失了。
参考文献
其他名称
类型
描述: 纯粹的反物质火箭的排气是带电粒子，γ 射线。这产生了极高的排气速度，但推力相对较低。如果需要更高的推力，可以将氢与等离子体混合，但会以性能为代价。这可能需要一个大的磁瓶来约束粒子，氢离子（质子）足够长的时间以混合。
状态
变种
参考文献
其他名称
类型
描述: ELF-160A 推进器使用旋转磁场 (RMF) 创建一个称为场反转构型 (FRC) 的高密度磁化等离子体。RMF 驱动的方位角电流与 FRC 在通量保持锥形推进器内部产生的增强的轴向磁场梯度耦合，产生一个大的轴向 JθxBr 力，将等离子体加速到高速。ELF-160A 是一款完全无电极推进器，推进剂与推进器主体之间是磁隔离的，准中性的，并且高温推进剂与推进器之间没有接触。
状态: 正在根据国防部的合同进行积极开发。
变体: 其中一个变体是电磁等离子体推进器 (EMPT)，这是一种无电极脉冲等离子体推进器，它产生并加速场反转构型 (FRC) 以产生推力。
参考文献
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