離子沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用于外層大氣航天器推進(jìn)的可行性

傳統(tǒng)的衛(wèi)星推進(jìn)器為化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī). 這種發(fā)動(dòng)機(jī)有重量和燃料的限制, 從而會(huì)限制衛(wèi)星的有效載荷和的壽命. 燃料用完后衛(wèi)星將失去控制, 因而可能會(huì)成為難以回收的太空垃圾, 不僅無(wú)法回收星上剩余的有用資源, 還可能長(zhǎng)時(shí)間對(duì)其他航天器的安全構(gòu)成威脅.

打破傳統(tǒng)模式局限性的唯一方法是開(kāi)發(fā)一種創(chuàng)新型的非化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)模型用于外層大氣航天器 (如: 近地軌道衛(wèi)星). 對(duì)于近地航天器, 由于稀薄大氣的阻力是不可避免的, 因而我們應(yīng)該主動(dòng)充分地利用周?chē)沫h(huán)境來(lái)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行軌道調(diào)整, 而不是通過(guò)被動(dòng)地燃燒內(nèi)部燃料來(lái)實(shí)現(xiàn)在軌機(jī)動(dòng). 再此, 電離層成為我的靈感之源. 在極低的氣壓下, 氣體分子會(huì)失去其電子而成為等離子體. 即使在這個(gè)高度下大氣密度很小, 由于衛(wèi)星以約7.7~7.8 km/s的高速運(yùn)行, 每秒仍然會(huì)有大量離子與衛(wèi)星碰撞.

這一事實(shí)讓我想起了使用的離子推進(jìn)器的衛(wèi)星, 如SMART和DAWN衛(wèi)星等. 離子推進(jìn)器的廣泛應(yīng)用說(shuō)明了人類(lèi)在短距離小空間內(nèi)加速離子的技術(shù)日臻成熟. 這也同時(shí)讓我考慮到一個(gè)新的模型——融合傳統(tǒng)離子推進(jìn)器和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì), 讓等離子體代替空氣進(jìn)入進(jìn)氣道, 然后使用電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)加速, 以取代化學(xué)燃料的燃燒. 這就是我的想法的概述.

這種模式是否具有實(shí)用意義主要取決于離子在工作環(huán)境中是否充足, 即是說(shuō), 我們首先必須先測(cè)出高層大氣的近似的密度. 又因?yàn)樗? 無(wú)法直接測(cè)量, 我就想出一種間接的方法: 通過(guò)測(cè)量不受控制的近地軌道衛(wèi)星的軌道高度的自然衰減. 由于密度可由作用于衛(wèi)星上的大氣阻力大小求出, 這個(gè)阻力間接地體現(xiàn)在衛(wèi)星高度衰減上, 因此通過(guò)計(jì)算我們得出密度ρ (kg/m3 ):

我使用俄羅斯火星探測(cè)器福布斯-土壤探測(cè)器的軌道高度數(shù)據(jù)[2]. 它被因發(fā)動(dòng)機(jī)故障被困在低地球軌道, 因而具有軌道高度的自然衰減的過(guò)程. 探測(cè)器的高度-時(shí)間數(shù)據(jù)如下頁(yè)圖 1所示. 我們可以近似認(rèn)為高度以對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系隨時(shí)間衰減. 為提高高度-時(shí)間擬合精度以提高密度估測(cè)精度, 不妨建立自然對(duì)數(shù)模型來(lái)描述這一過(guò)程.

圖 1： 福布斯-土壤探測(cè)器的每軌平均高度 (km)

假設(shè): h=φ(t)=Aln(B?t)+C

其中, h是衛(wèi)星軌道高度: h =R0?Rearth≈R0?6370000 (m).

可得:.

于是, 通過(guò)密集地在曲線上取點(diǎn)然后通過(guò)Excel軟件錄入并處理其t和 h坐標(biāo), 我們可以近似得到曲線在相應(yīng)點(diǎn)上的切線斜率k. 進(jìn)一步地, 通過(guò)建立k和1/t之間的線性回歸模型, 我們可以解決出A和B. 并通過(guò)求估計(jì)高度與實(shí)際高度的差的平均值, 我們可以得C. 綜上我們可以得到以下的密度-高度模型:

通過(guò)查閱相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)得到衛(wèi)星質(zhì)量m=13200kg, 并假設(shè)衛(wèi)星受阻面積為16m2, 對(duì)地軌道速度為7800 m/s, 即Ma= 22.9. 從表 1中我們可以得到相應(yīng)的CD=0.11283. 從ρ(h)函數(shù)關(guān)系可以解出如下表所示的在一些特定高度的大氣密度估計(jì)值.

這個(gè)模型被逆擬合過(guò)程所檢驗(yàn), 結(jié)果相當(dāng)令人滿意, 因?yàn)樗脑?50 km以上區(qū)域的誤差始終未超過(guò)10%. 我認(rèn)為模型的誤差主要來(lái)自太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)電離層的影響. (詳見(jiàn)圖2和圖3)

圖2 高度數(shù)據(jù)處理圖線

圖3 密度擬合曲線

現(xiàn)在我們來(lái)考慮它的實(shí)用性: 假設(shè)處在離子沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道捕獲范圍內(nèi)的離子在初始狀態(tài)都對(duì)地靜止. 經(jīng)考慮離子的相對(duì)論計(jì)算后, 我們可以得到:

假設(shè)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作高度的大氣 (等離子)密度是 5×10-10 kg/m3, 且等離子體收集器的面積為S= 200 m2. 航天器(衛(wèi)星)以 8000 m/s 的速度運(yùn)動(dòng). 然后代入S、c、v、ρ, 并假設(shè)Isp=50000s (這是這種發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)計(jì)可以達(dá)到最高性能), 我們可以得到F≈392. 4N 和u= 490500 m/s (無(wú)論采取了何種加速方法). 這對(duì)于現(xiàn)代衛(wèi)星來(lái)說(shuō)是相對(duì)好的推進(jìn)參數(shù).

在這里給出兩種可行的設(shè)計(jì):

第一種設(shè)計(jì)

第二種設(shè)計(jì)

其實(shí)進(jìn)一步來(lái)說(shuō), 目前所有的用于普通離子推力器的方案均能被改裝用于離子沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的模型, 其前提是要有一個(gè)高效而協(xié)調(diào)的離子收集裝置, 正如前面兩種設(shè)計(jì)之中所提到的那樣, 但完全不限于此——仍有許多優(yōu)良的設(shè)計(jì)等待著去被發(fā)現(xiàn).

離子沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(IRE)這一模型不僅有意義, 它還有實(shí)用價(jià)值, 尤其是在國(guó)防方面. 一般來(lái)說(shuō), 其用途可大致分為四個(gè)部分：①延長(zhǎng)低地球軌道衛(wèi)星的壽命; ②免化學(xué)燃料的軌道調(diào)整; ③讓長(zhǎng)途旅行更快、 更經(jīng)濟(jì); ④將星際探索衛(wèi)星加速至超高的速度[6].

正如開(kāi)頭所說(shuō), 目前先進(jìn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)的主要矛盾是燃料與有效載荷和總重之間的矛盾. 而目前看來(lái), 建立一個(gè)在軌燃料補(bǔ)充服務(wù)系統(tǒng)并不值得. 因此, 我認(rèn)為我的設(shè)想將會(huì)在延長(zhǎng)近地衛(wèi)星壽命方面有極大的應(yīng)用價(jià)值. 通過(guò)這種方式, 我們可以無(wú)需化學(xué)燃料地延長(zhǎng)大部分有效載荷仍有用的衛(wèi)星的使用壽命. 并且, 當(dāng)一顆衛(wèi)星報(bào)廢時(shí), 這種發(fā)動(dòng)機(jī)將只利用太陽(yáng)能將廢舊衛(wèi)星在一周內(nèi)反推回大氣層燒毀, 從而達(dá)到不留任何太空垃圾的目的. 或者, 也可以利用該發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種易于變軌的經(jīng)濟(jì)的低地球軌道/大橢圓軌道太空垃圾收集衛(wèi)星.

也可以在空天飛機(jī)上使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)以供給額外推力, 并節(jié)省燃料. 在將來(lái), 空天飛機(jī)將飛行在約100 ~ 150公里的高度上, 而這里正是處于稠密的大氣層之上并大概位于電離層的高度處, 因而在此高度有足夠數(shù)量的離子為這種發(fā)動(dòng)機(jī)提供比以前估計(jì)的更高(約10倍)的推力. 在渦輪風(fēng)扇/沖壓/爆震沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)作為大氣層內(nèi)的動(dòng)力系統(tǒng), 以IRE作為外層大氣(卡門(mén)線附近高度)的推動(dòng)力的情況下, 空天飛機(jī)將可以作飛機(jī)-航天器之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換. 憑借優(yōu)良的氣動(dòng)外形, 它作為未來(lái)航空-近地航天人/貨運(yùn)輸?shù)闹鞲闪α? 將具有不可估量的潛力.如, 將有更快的長(zhǎng)途旅行, 較低的價(jià)格和較少污染. 因而, IRE將可能會(huì)開(kāi)啟航空航天運(yùn)輸?shù)男聲r(shí)代.

此外, 我還認(rèn)為IRE可作為的動(dòng)力系統(tǒng). 目前, 星際探測(cè)器的飛行速度顯然太慢, 無(wú)法滿足作太陽(yáng)系外詳細(xì)考察的需要. 考慮到在宇宙中90%以上的正常物質(zhì)是以等離子體形態(tài)存在的[7], 尤其是氫元素, 我也正在設(shè)想使用在星際探測(cè)器上使用這種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)(在這種情況下,第一種設(shè)計(jì)將尤為適用). 當(dāng)然, 由于在這種情況這種發(fā)動(dòng)機(jī)的功率可達(dá) 1000 萬(wàn)瓦, 所以它應(yīng)該由小型核反應(yīng)堆提供能量. 我還猜測(cè)當(dāng)航天器(衛(wèi)星)的速度達(dá)到較高水平時(shí)(根據(jù)粗略估計(jì), 約75km/s), 在發(fā)動(dòng)機(jī)收集器-加速段銜接的最窄處與ICRH天線處, 等離子體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的部分和共振加熱會(huì)將其加熱到足以發(fā)生核聚變的程度(動(dòng)態(tài)核聚變）. 這將為航天器提供上百倍的能量以更大幅度地加速航天器. 如果這種情況發(fā)生, 也許人類(lèi)達(dá)到0.01c或更快的速度不再是夢(mèng).

最后, 讓我們展望人類(lèi)空間探索的更美好的未來(lái). 學(xué)界新的發(fā)現(xiàn)發(fā)明和新技術(shù)的應(yīng)用將使人類(lèi)更易于脫離地球的引力場(chǎng), 登上月球和火星. 人造天體將以更快的速度飛出太陽(yáng)系. 我們還可能會(huì)有速度更快、 更經(jīng)濟(jì)的橫貫大陸的空天客機(jī)航班, 或制造基于這種想法的太陽(yáng)能動(dòng)力太空垃圾收集器.

然而, 無(wú)論這項(xiàng)技術(shù)可能有如何的發(fā)展, 我仍然堅(jiān)持呼吁維持外層空間的和平. 我堅(jiān)決反對(duì)太空武器, 我不想我的想法被使用于任何種類(lèi)的武器上. 我的原意是要建立一個(gè)更美好世界, 讓人類(lèi)未來(lái)的生活更美好, 現(xiàn)在也希望有志之士能加入這個(gè)具有歷史意義的壯舉。

謝謝!