离子冲压发动机用于外层大气航天器推进的可行性

传统的卫星推进器为化学火箭发动机. 这种发动机有重量和燃料的限制, 从而会限制卫星的有效载荷和的寿命. 燃料用完后卫星将失去控制, 因而可能会成为难以回收的太空垃圾, 不仅无法回收星上剩余的有用资源, 还可能长时间对其他航天器的安全构成威胁.

打破传统模式局限性的唯一方法是开发一种创新型的非化学发动机模型用于外层大气航天器 (如: 近地轨道卫星). 对于近地航天器, 由于稀薄大气的阻力是不可避免的, 因而我们应该主动充分地利用周围的环境来对卫星进行轨道调整, 而不是通过被动地燃烧内部燃料来实现在轨机动. 再此, 电离层成为我的灵感之源. 在极低的气压下, 气体分子会失去其电子而成为等离子体. 即使在这个高度下大气密度很小, 由于卫星以约7.7~7.8 km/s的高速运行, 每秒仍然会有大量离子与卫星碰撞.

这一事实让我想起了使用的离子推进器的卫星, 如SMART和DAWN卫星等. 离子推进器的广泛应用说明了人类在短距离小空间内加速离子的技术日臻成熟. 这也同时让我考虑到一个新的模型——融合传统离子推进器和冲压发动机的设计, 让等离子体代替空气进入进气道, 然后使用电场和磁场来加速, 以取代化学燃料的燃烧. 这就是我的想法的概述.

这种模式是否具有实用意义主要取决于离子在工作环境中是否充足, 即是说, 我们首先必须先测出高层大气的近似的密度. 又因为它太小, 无法直接测量, 我就想出一种间接的方法: 通过测量不受控制的近地轨道卫星的轨道高度的自然衰减. 由于密度可由作用于卫星上的大气阻力大小求出, 这个阻力间接地体现在卫星高度衰减上, 因此通过计算我们得出密度ρ (kg/m3 ):

我使用俄罗斯火星探测器福布斯-土壤探测器的轨道高度数据[2]. 它被因发动机故障被困在低地球轨道, 因而具有轨道高度的自然衰减的过程. 探测器的高度-时间数据如下页图 1所示. 我们可以近似认为高度以对数函数关系随时间衰减. 为提高高度-时间拟合精度以提高密度估测精度, 不妨建立自然对数模型来描述这一过程.

图 1： 福布斯-土壤探测器的每轨平均高度 (km)

假设: h=φ(t)=Aln(B−t)+C

其中, h是卫星轨道高度: h =R0−Rearth≈R0−6370000 (m).

可得:.

于是, 通过密集地在曲线上取点然后通过Excel软件录入并处理其t和 h坐标, 我们可以近似得到曲线在相应点上的切线斜率k. 进一步地, 通过建立k和1/t之间的线性回归模型, 我们可以解决出A和B. 并通过求估计高度与实际高度的差的平均值, 我们可以得C. 综上我们可以得到以下的密度-高度模型:

通过查阅相关参数数据得到卫星质量m=13200kg, 并假设卫星受阻面积为16m2, 对地轨道速度为7800 m/s, 即Ma= 22.9. 从表 1中我们可以得到相应的CD=0.11283. 从ρ(h)函数关系可以解出如下表所示的在一些特定高度的大气密度估计值.

这个模型被逆拟合过程所检验, 结果相当令人满意, 因为它的在150 km以上区域的误差始终未超过10%. 我认为模型的误差主要来自太阳活动对电离层的影响. (详见图2和图3)

图2 高度数据处理图线

图3 密度拟合曲线

现在我们来考虑它的实用性: 假设处在离子冲压发动机进气道捕获范围内的离子在初始状态都对地静止. 经考虑离子的相对论计算后, 我们可以得到:

假设在发动机工作高度的大气 (等离子)密度是 5×10-10 kg/m3, 且等离子体收集器的面积为S= 200 m2. 航天器(卫星)以 8000 m/s 的速度运动. 然后代入S、c、v、ρ, 并假设Isp=50000s (这是这种发动机预计可以达到最高性能), 我们可以得到F≈392. 4N 和u= 490500 m/s (无论采取了何种加速方法). 这对于现代卫星来说是相对好的推进参数.

在这里给出两种可行的设计:

第一种设计

第二种设计

其实进一步来说, 目前所有的用于普通离子推力器的方案均能被改装用于离子冲压发动机的模型, 其前提是要有一个高效而协调的离子收集装置, 正如前面两种设计之中所提到的那样, 但完全不限于此——仍有许多优良的设计等待着去被发现.

离子冲压发动机(IRE)这一模型不仅有意义, 它还有实用价值, 尤其是在国防方面. 一般来说, 其用途可大致分为四个部分：①延长低地球轨道卫星的寿命; ②免化学燃料的轨道调整; ③让长途旅行更快、 更经济; ④将星际探索卫星加速至超高的速度[6].

正如开头所说, 目前先进卫星设计的主要矛盾是燃料与有效载荷和总重之间的矛盾. 而目前看来, 建立一个在轨燃料补充服务系统并不值得. 因此, 我认为我的设想将会在延长近地卫星寿命方面有极大的应用价值. 通过这种方式, 我们可以无需化学燃料地延长大部分有效载荷仍有用的卫星的使用寿命. 并且, 当一颗卫星报废时, 这种发动机将只利用太阳能将废旧卫星在一周内反推回大气层烧毁, 从而达到不留任何太空垃圾的目的. 或者, 也可以利用该发动机作为动力系统设计一种易于变轨的经济的低地球轨道/大椭圆轨道太空垃圾收集卫星.

也可以在空天飞机上使用这种发动机以供给额外推力, 并节省燃料. 在将来, 空天飞机将飞行在约100 ~ 150公里的高度上, 而这里正是处于稠密的大气层之上并大概位于电离层的高度处, 因而在此高度有足够数量的离子为这种发动机提供比以前估计的更高(约10倍)的推力. 在涡轮风扇/冲压/爆震冲压组合发动机作为大气层内的动力系统, 以IRE作为外层大气(卡门线附近高度)的推动力的情况下, 空天飞机将可以作飞机-航天器之间的无缝转换. 凭借优良的气动外形, 它作为未来航空-近地航天人/货运输的主干力量, 将具有不可估量的潜力.如, 将有更快的长途旅行, 较低的价格和较少污染. 因而, IRE将可能会开启航空航天运输的新时代.

此外, 我还认为IRE可作为的动力系统. 目前, 星际探测器的飞行速度显然太慢, 无法满足作太阳系外详细考察的需要. 考虑到在宇宙中90%以上的正常物质是以等离子体形态存在的[7], 尤其是氢元素, 我也正在设想使用在星际探测器上使用这种类型的发动机(在这种情况下,第一种设计将尤为适用). 当然, 由于在这种情况这种发动机的功率可达 1000 万瓦, 所以它应该由小型核反应堆提供能量. 我还猜测当航天器(卫星)的速度达到较高水平时(根据粗略估计, 约75km/s), 在发动机收集器-加速段衔接的最窄处与ICRH天线处, 等离子体动能转化为内能的部分和共振加热会将其加热到足以发生核聚变的程度(动态核聚变）. 这将为航天器提供上百倍的能量以更大幅度地加速航天器. 如果这种情况发生, 也许人类达到0.01c或更快的速度不再是梦.

最后, 让我们展望人类空间探索的更美好的未来. 学界新的发现发明和新技术的应用将使人类更易于脱离地球的引力场, 登上月球和火星. 人造天体将以更快的速度飞出太阳系. 我们还可能会有速度更快、 更经济的横贯大陆的空天客机航班, 或制造基于这种想法的太阳能动力太空垃圾收集器.

然而, 无论这项技术可能有如何的发展, 我仍然坚持呼吁维持外层空间的和平. 我坚决反对太空武器, 我不想我的想法被使用于任何种类的武器上. 我的原意是要建立一个更美好世界, 让人类未来的生活更美好, 现在也希望有志之士能加入这个具有历史意义的壮举。

谢谢!