傳統的衛星推進器為化學火箭發動機. 這種發動機有重量和燃料的限制, 從而會限制衛星的有效載荷和的壽命. 燃料用完后衛星將失去控制, 因而可能會成為難以回收的太空垃圾, 不僅無法回收星上剩余的有用資源, 還可能長時間對其他航天器的安全構成威脅.

打破傳統模式局限性的唯一方法是開發一種創新型的非化學發動機模型用于外層大氣航天器 (如: 近地軌道衛星). 對于近地航天器, 由于稀薄大氣的阻力是不可避免的, 因而我們應該主動充分地利用周圍的環境來對衛星進行軌道調整, 而不是通過被動地燃燒內部燃料來實現在軌機動. 再此, 電離層成為我的靈感之源. 在極低的氣壓下, 氣體分子會失去其電子而成為等離子體. 即使在這個高度下大氣密度很小, 由于衛星以約7.7~7.8 km/s的高速運行, 每秒仍然會有大量離子與衛星碰撞.

這一事實讓我想起了使用的離子推進器的衛星, 如SMART和DAWN衛星等. 離子推進器的廣泛應用說明了人類在短距離小空間內加速離子的技術日臻成熟. 這也同時讓我考慮到一個新的模型——融合傳統離子推進器和沖壓發動機的設計, 讓等離子體代替空氣進入進氣道, 然后使用電場和磁場來加速, 以取代化學燃料的燃燒. 這就是我的想法的概述.

這種模式是否具有實用意義主要取決于離子在工作環境中是否充足, 即是說, 我們首先必須先測出高層大氣的近似的密度. 又因為它太小, 無法直接測量, 我就想出一種間接的方法: 通過測量不受控制的近地軌道衛星的軌道高度的自然衰減. 由于密度可由作用于衛星上的大氣阻力大小求出, 這個阻力間接地體現在衛星高度衰減上, 因此通過計算我們得出密度ρ (kg/m3 ):

我使用俄羅斯火星探測器福布斯-土壤探測器的軌道高度數據[2]. 它被因發動機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程. 探測器的高度-時間數據如下頁圖 1所示. 我們可以近似認為高度以對數函數關系隨時間衰減. 為提高高度-時間擬合精度以提高密度估測精度, 不妨建立自然對數模型來描述這一過程.

圖 1： 福布斯-土壤探測器的每軌平均高度 (km)

假設: h=φ(t)=Aln(B?t)+C

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

可得:.

于是, 通過密集地在曲線上取點然后通過Excel軟件錄入并處理其t和 h坐標, 我們可以近似得到曲線在相應點上的切線斜率k. 進一步地, 通過建立k和1/t之間的線性回歸模型, 我們可以解決出A和B. 并通過求估計高度與實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:

通過查閱相關參數數據得到衛星質量m=13200kg, 并假設衛星受阻面積為16m2, 對地軌道速度為7800 m/s, 即Ma= 22.9. 從表 1中我們可以得到相應的CD=0.11283. 從ρ(h)函數關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值.

這個模型被逆擬合過程所檢驗, 結果相當令人滿意, 因為它的在150 km以上區域的誤差始終未超過10%. 我認為模型的誤差主要來自太陽活動對電離層的影響. (詳見圖2和圖3)

圖2 高度數據處理圖線

圖3 密度擬合曲線

現在我們來考慮它的實用性: 假設處在離子沖壓發動機進氣道捕獲范圍內的離子在初始狀態都對地靜止. 經考慮離子的相對論計算后, 我們可以得到:

假設在發動機工作高度的大氣 (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(衛星)以 8000 m/s 的速度運動. 然后代入S、c、v、ρ, 并假設Isp=50000s (這是這種發動機預計可以達到最高性能), 我們可以得到F≈392. 4N 和u= 490500 m/s (無論采取了何種加速方法). 這對于現代衛星來說是相對好的推進參數.

在這里給出兩種可行的設計:

第一種設計

第二種設計

其實進一步來說, 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動機的模型, 其前提是要有一個高效而協調的離子收集裝置, 正如前面兩種設計之中所提到的那樣, 但完全不限于此——仍有許多優良的設計等待著去被發現.

離子沖壓發動機(IRE)這一模型不僅有意義, 它還有實用價值, 尤其是在國防方面. 一般來說, 其用途可大致分為四個部分：①延長低地球軌道衛星的壽命; ②免化學燃料的軌道調整; ③讓長途旅行更快、 更經濟; ④將星際探索衛星加速至超高的速度[6].

正如開頭所說, 目前先進衛星設計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, 建立一個在軌燃料補充服務系統并不值得. 因此, 我認為我的設想將會在延長近地衛星壽命方面有極大的應用價值. 通過這種方式, 我們可以無需化學燃料地延長大部分有效載荷仍有用的衛星的使用壽命. 并且, 當一顆衛星報廢時, 這種發動機將只利用太陽能將廢舊衛星在一周內反推回大氣層燒毀, 從而達到不留任何太空垃圾的目的. 或者, 也可以利用該發動機作為動力系統設計一種易于變軌的經濟的低地球軌道/大橢圓軌道太空垃圾收集衛星.

也可以在空天飛機上使用這種發動機以供給額外推力, 并節省燃料. 在將來, 空天飛機將飛行在約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量的離子為這種發動機提供比以前估計的更高(約10倍)的推力. 在渦輪風扇/沖壓/爆震沖壓組合發動機作為大氣層內的動力系統, 以IRE作為外層大氣(卡門線附近高度)的推動力的情況下, 空天飛機將可以作飛機-航天器之間的無縫轉換. 憑借優良的氣動外形, 它作為未來航空-近地航天人/貨運輸的主干力量, 將具有不可估量的潛力.如, 將有更快的長途旅行, 較低的價格和較少污染. 因而, IRE將可能會開啟航空航天運輸的新時代.

此外, 我還認為IRE可作為的動力系統. 目前, 星際探測器的飛行速度顯然太慢, 無法滿足作太陽系外詳細考察的需要. 考慮到在宇宙中90%以上的正常物質是以等離子體形態存在的[7], 尤其是氫元素, 我也正在設想使用在星際探測器上使用這種類型的發動機(在這種情況下,第一種設計將尤為適用). 當然, 由于在這種情況這種發動機的功率可達 1000 萬瓦, 所以它應該由小型核反應堆提供能量. 我還猜測當航天器(衛星)的速度達到較高水平時(根據粗略估計, 約75km/s), 在發動機收集器-加速段銜接的最窄處與ICRH天線處, 等離子體動能轉化為內能的部分和共振加熱會將其加熱到足以發生核聚變的程度(動態核聚變）. 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. 如果這種情況發生, 也許人類達到0.01c或更快的速度不再是夢.

最后, 讓我們展望人類空間探索的更美好的未來. 學界新的發現發明和新技術的應用將使人類更易于脫離地球的引力場, 登上月球和火星. 人造天體將以更快的速度飛出太陽系. 我們還可能會有速度更快、 更經濟的橫貫大陸的空天客機航班, 或制造基于這種想法的太陽能動力太空垃圾收集器.

然而, 無論這項技術可能有如何的發展, 我仍然堅持呼吁維持外層空間的和平. 我堅決反對太空武器, 我不想我的想法被使用于任何種類的武器上. 我的原意是要建立一個更美好世界, 讓人類未來的生活更美好, 現在也希望有志之士能加入這個具有歷史意義的壯舉。

謝謝!