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电动式推进是指利用电力或磁场作为航天器的动力。这系统大多采用加速电离子的技术。
比冲越高代表效率越好,亦即可以用相同质量的燃料产生更多的动量。因为电动发动机比化学燃料火箭有更高的排气速度,所以比化学燃料火箭消耗更少燃料[1],但由于能源所限,其推力会比化学燃料火箭弱得多。虽然电动助推器的推力较少,但推力却可维持一段很长的时间[2]。经过长时间后,电动发动机能加速到一个相当可观的速度,因此电动发动机比化学燃料火箭更适合于深太空任务。
目前,电动式推进发展已相当成熟,已广泛应用于各种太空任务上。俄罗斯的卫星已经采用电动推进有几十年[3]。到2019年,在太阳系运行的500多个航天器采用电动推进系统[4]。其系统除了作为它们的主要动力外,亦会用作固定航天器在轨道上及轨道提升等功能。而日后所发展出电动发动机更可产生每秒100公里的速度增量(Δv)。虽然这速度能使航天器(且是核能驱动)前往至太阳系外围的星球,却还不足以进行星际间的穿梭[1][5]。理论上,电动式推进如能搭配外部能源(透过激光方式传送动力)运作,是有可能进行星际穿梭[6][7]。由于电动式推进产生的推力不够强,所以并不适合用于火箭从地球发射上太空的过程。
此一形式的发动机利用喷出离子作为动力来源。有别于一般火箭发动机,由于并不需要喷管,所以并不被视为真正的火箭发动机。离子发动机基本上等同于粒子加速器,原理是将离子从排气口喷气出去以产生动力。目前知名的粒子加速器并非用作助推器,主要是用在研究及工业上,为科学测量及核散裂反应(nuclear spallation) 或离子注入 (ion implantation)等研究作出贡献,如欧洲核子研究中心使用大型强子对撞机进行的基础物理研究。
根据用于加速离子的作用力种类,航天器所使用的电动助推器可分为三种:
任何装置藉库仑静电力产生加速度作为动力,皆属于静电式推进,包括:
电热式推进指仪表透过产生等离子令推进剂加热,并通过实体喷管或磁场喷管,将推进剂的热能转化为动能。通常采用低分子量气体(如氢、氦及氨)作为推进剂。
电热式发动机通过喷管将热能转化为分子的直线运动,以成为自身动力,可视它为火箭。
虽然电热式发动机在比冲(ISP)方面的表现并没有特别突出(500到1000秒),仍比冷气体助推器、单组元发动机及大部分的双组元发动机优秀。苏联曾于1971年起采用电热式发动机,包括苏联制的“Meteor-3”、“Meteor-Priroda”、“Resurs-O”系列的卫星,以及俄制的“Elektro”卫星。目前洛克希德·马丁(Lockheed Martin)的A2100卫星正采用由洛克达因公司(Aerojet)制造的电热系统MR-510,并以联胺作为推进剂。电热式助推器包括:
电磁式推进指仪表利用离子加速,即离子受到劳仑兹力或电磁场作用(其电场与离子加速的方向不相同)影响,作为飞船动力。电磁式助推器包括:
光子助推器意指仪表透过发射光子产生推力。详见以下页面:
电动缆索是一条很长的导线。如将一条缆索连接上一个特定的卫星,它就能以发电机的电动原理运作,将动能转化为电动,或以发电机的原理运作,将电动转化为动能。当缆索在地球的磁场中移动,便能产生电势。电动缆索采用什么种类的金属导线取决多个因素,主要包括其导电性及低密度性。次要因素则是金属的价格、强度及熔点。详见以下页面:
除上述的非离子式驱动形式外,还有数个推进方式曾经被提出,但尚未清楚这些方法能否在现今所知的物理规则下实现,包括:
电动推进系统亦可以分类为稳定输出型(能于指定时间内持续地产生动力)及非稳定输出型(以脉冲方式喷气达到预期推力)。事实上,这分类方式不只可应用在电动推进系统上,亦可以应用在任何推进形式的发动机上。
由于电动式发动机的动力相当有限,因此产生的推力比化学燃料发动机更少,其推力差距甚至高达好几个数量级。并且化学燃料火箭产生动力的方式快而直接,电动系统却需要多个程序才能产生动力。然而在同等的推力下,电动式推进能以较少燃料,为航天器带来可观的航行速度,这一点相对化学燃料发动机占有极大优势。化学燃料发动机只能于很短的时间内运作,并大多只会于惯性轨道(inertial trajectory)上航行。当接近行星时,电动火箭虽然没法提供足够的推力使飞船脱离星球的表面,但长时间性的低推力却可以令飞船在星球附近的地方航行。
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