新型等離子體推進器只靠空氣與電力,效率媲美商用噴射發動機

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 07 日 10:06 | 分類 尖端科技 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


為了減少地球交通工具對化石燃料的依賴,我們陸續開發出以電池做為動力源的油電混合車、電動車等,而除了電池,離子推進器其實也是種替代性動力源,只不過目前多應用在太空飛行器。最近,中國武漢大學團隊設計出可在大氣環境下運作的等離子噴射推進裝置原型,於實驗室中測試可產生和商用噴射發動機差不多的推力效率。

科學家已開發各種型態的離子發動機(Ion thruster,即離子推進器)或電漿推進發動機(Plasma propulsion engine)多年,希望減少燃燒化石燃料引起的溫室效應和全球暖化問題。

已知 ESA 的水星探測器貝皮可倫坡號(BepiColombo)、Ad Astra 的 VASIMIR 等離子引擎、NASA 的 NEXT 離子推進器、NASA 深空 1 號的 NSTAR 離子推力器、曙光號(Dawn)小行星探測器等,都是應用這類型推進器做為推進系統的著名例子,它們使用氙為推進劑,先將氣體電離、然後再用電場力將帶電的離子加速後噴出。

但這種離子推進器只能應用於真空環境,地球大氣層內無法發揮作用,因加​​速的氙離子在與空氣分子摩擦後便失去大部分推力,更不用說離子推進器產生的推力少得可憐。

對此,中國武漢大學團隊構思出一種僅使用空氣和電力、就能產生足夠強推力的新型等離子推進裝置。首先,研究人員使用磁控管產生功率相對較高的微波(約1kW),接著微波沿著逐漸變窄繼又變寬的導波管(waveguide)傳播;在導波管的最窄處,有一垂直穿過的石英管(quartz tube),空氣會被空氣壓縮機逼著流入石英管、穿越一小段導波管、再從石英管另一端流出。

在石英管入口處,空氣被強電場電離產生低溫等離子體,接著經過導波管被強大的微波撞擊時,會與其他未電離的原子頻繁碰撞,從而大幅提高等離子體的溫度和壓力,在團隊實驗中,研究人員稱等離子體迅速加熱到 1000℃ 以上,當熱氣離開導波管,加熱的等離子體會產生類似火炬的火焰,進而產生推力。

見以下實驗影片。

最終,研究團隊測出新型等離子體推進器的推力效率約 28N / kW,與現代渦輪扇發動機產生的推力非常相近,比如空巴 E-Fan 電動飛機的推力效率為 25 N / kW,幾乎媲美。

假如這項新穎的等離子推進器設計能有所突破,將為電動飛機領域帶來重大貢獻。新論文發表在《AIP Advances》期刊。

(首圖來源:影片截圖)

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