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主题：三体里描述的星际发动机出现了 -- 北纬42度
家园 三体里描述的星际发动机出现了 就是章北海力主发展的辐射发动机
无工质微波推力器推力测量实验杨涓,王与权,李鹏飞,王阳,王云民,马艳杰
西北工业大学航天学院, 西安 710072
摘要： 基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置—-无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80—2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70—720 mN范围内, 测量总误差小于12%. 实验结果与理论结果相符合.
收稿日期: 2012-04-07
论文看不懂，不过大概就是靠微波辐射推进，不用任何化学燃料，好处嘛，三体里说的很清楚。
“现有理论的应用潜力可能连百分之一都还没有挖掘出来。”章北海说，“我感觉，现在最大的问题是科技界的研究战略，他们在低端技术上耗费大量资源和时间。以宇宙发动机为例，裂变发动机根本就没有必要搞，可现在，不但投入巨大的开发力量，甚至还在投入同样的力量去研究新一代的化学发动机！应该直接集中资源研究聚变发动机，而且应该越过工质型的，直接开发无工质聚变发动机也很有限。”(1)。①工质型核聚变发动机与化学火箭类似，是核聚变的能量推动有质量的工质，产生反推力推进飞船；无工质型核聚变发动机则是用核聚变辐射能量直接推进飞船。前者需要飞船携带推进工质，当远程航行长时间加速或减速时，工质的需要量将非常巨大，因而工质型发动机不可能进行星际远航。
本帖一共被 1 帖 引用 (帖内工具实现)家园 章北海！这人连名字都像三体里的人物。 家园 突然想到，圆台型谐振腔不就是个飞碟嘛 娃哈哈，以俺小时候看飞碟探索的残存记忆，飞碟到来时还会伴随强大的电磁干扰，那么大个谐振腔肯定干扰不少嘛，越来越象啦。。。
家园 这种想法90年前就有了 Solar Sail的原始想法是利用太阳（恒星）辐射产生的光压让飞行器向恒星系外飞行，这样飞行器就不用自带能源，前提是你能把飞行器送到大气层外。照维基百科的信息，美俄欧日都做过这方面的试验，最成功的尝试是日本航天局在2010年的那次试验。
这篇论文在solar sail的基础上再进一步，让飞行器自带能源，这样可以控制飞行方向。但是我在中学时就看到过NASA在做这方面研究的报道，所以这篇论文的作者应该不是第一个提出这类设想的人。而且我觉得这篇论文对辐射发动机优点的评论最大的问题是辐射发动机只能在远离大气层的空间起作用，从地球表面到大气层外这段距离还是要靠化学发动机。不论是火箭还是飞船携带的“庞大的推进剂储箱”其实正是在发射阶段使用的，所以不能用它来证明辐射发动机的优越性。
以70年代发射的Voyager 1 probe为例，Voyager 1本身重722公斤，把它打入空间的火箭（包括“庞大的推进剂储箱”）重600多吨。一旦被打入空间，Voyager 1的722公斤中至少有100多公斤是科学仪器，另外它还携带供科学仪器使用的发电机和核燃料、与地球的通信系统、惯性导航仪等等，所以它携带的化学推进剂最多也就只有几百公斤。虽说Voyager 1的主要动力来源是它经过的各颗行星的引力场，但是在过去30多年里Voyager 1也靠自己的动力作过多次变轨/变速运动和自身的调整以保持和地球的通信。所以要证明辐射发动机比化学发动机优越，不能拿它和600多吨的火箭比，而是要和Voyager 1本身的几百公斤的推进器/推进剂相比。我不知道辐射发动机要像Voyager 1的发动机那样工作30多年，“集成在一起的圆台微波谐振腔、微波源和负载”能否控制在几百公斤内。再说Voyager 1代表的上世纪70年代的技术水平。
家园 这个貌似不是太阳帆，根本就没出现帆的概念 文章里也说了，原理是一个英国人提出的，很少有人研究，肯定不是你说的那种一个中学生都知道的东西。
另外这东西的应用，除了深空探索，通信卫星也很适合这东西，当然卫星发射肯定要靠化学燃料，但通信卫星在轨道上定位以后受各种扰动经常需要发动机做微小的调姿，目前对卫星寿命的一大限制就是燃料，燃料用光了卫星就完蛋了，甚至有人设想加油卫星给通信卫星加燃料，要是可以用电就可以进行微小调姿（通信卫星上太阳能电池的电力供给一般是几到十几千瓦），对通信卫星绝对是个利好，money大大滴。。。
至于重量嘛，也不用担心，通信卫星带的燃料都是以吨计算滴，载荷倒是只占很小一部分。。。
旅行者号估计变轨的幅度不大，所以燃料不用太多，否则30年前就有这种高科技发动机，现在的只有几年寿命的通信卫星也不至于带上几吨的燃料，旅行者号的电力用的是半衰期很长的同位素核电池，不是化学燃料，自然有辐射，不绿色不环保，而且冷战结束后这种同位素的生产也断了，NASA前几年想再次使用这种同位素电池发现竟然搞不到原料。。。
家园 辐射发动机和太阳帆都是利用光子的动能来产生推力 所以我说他们是类似的想法，不是说他们是一样的东西。我觉得最早提出用光子而不是物质来产生推力的想法是革命性的，辐射发动机和太阳帆是主动产生光子推力和被动地利用已有的光子推力的差别。当然也有可能使我把问题想得太简单了。
我提到重量是因为论文里把“该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱”作为辐射发动机的一个优点，我想指出的是旅行者号本身并没有带太多的推进剂（一共才700多公斤）。
家园 这个意思是 “当微波源输出2.45 GHz, 80—2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70—720 mN范围内”的样机他们已经做出来了？
不知道东西多重，也不知道微波源的效率如何。。。原理也看不明白，不过听上去很厉害，80瓦就能有70mN。按wikipedia上列的数据（虽然很多缺乏引用来源，但是做个数量级参考问题不大吧），现有电火箭（或曰离子推进器，大概就是使惰性气体之类的工质电离然后通过某种办法加速这些离子喷出去。属于现在比冲或曰使用工质的效率最高的火箭发动机之类吧。）的电力输入和推力的情况大概是这样的。希望排版没问题
推进器名称或者类型__工质__需要的电力功率(kW)__推力(mN)
NSTAR_____________氙_______2.3___________最大92
NEXT______________氙_______7.7___________最大236
NEXIS_____________氙______20.5____________400
HiPEP_____________氙_____25至50__________460至670
RIT 22____________氙________5____________50至200
霍尔效应甲_________铋________25____________1,130
霍尔效应乙_________铋_______140____________2,500
霍尔效应丙_________氙________25____________950
霍尔效应丁_________氙________75____________2,900
FEEP Liquid_______铯___6x105至0.06_______0.001-1
VASIMR____________氩_______200___________约5000
这么一看，0.08至2.5kw的推力是80-720mN，即使假设微波源的电效率只有30%，其推进电效率也仍然能秒杀上述这些电火箭。何况2.45GHz好像就是微波炉的微波频率，现在微波炉的微波发生器电效率百分之六七十总是有的。。。
再加上不需要工质，这玩艺要是能做到比较小的体积重量和良好的寿命，啥电火箭根本就不需要存在了啊。。。
这对航天器尤其是地球轨道卫星和内太阳系探测器的姿态控制和轨道保持发动机方面的应用恐怕算得上革命性突破了，很可能可以有效延长航天器的轨道寿命。。。
对于深空探测，80瓦，70毫牛即0.07牛，算微波源效率50%，消耗类似旅行者1号上420瓦核电池的核电池的一部分也就是160瓦电能，推动和721.9千克的旅行者1号差不多大的飞行器算750千克，不考虑引力加速因素和星际物质阻力的话，如果我的中学物理还能剩下一点没出错，那么此航天器一年就能从速度0加速到大约3000米/秒。
而我们现在发射过的航天器中飞行速度最快的旅行者1号，其速度不过17000米/秒的样子。考虑到我们用化学火箭把它就算用第一宇宙速度打上去（因此获得7800米/秒的初速度），那么只需要三年多点这个航天器速度就会超过旅行者一。。。
这还没有考虑我们大概会用化学火箭把深空探测器打到至少第二宇宙速度并且会设计轨道利用引力加速。。。
喵，细思恐极，too good to be true，我不相信。。。。。
- 复 这个意思是
家园 不能只看电力功率和推力 而要看要达到同样的推力（不论电力功率），发动机/燃料/电源/等等一共要有多少质量。我觉得“圆台微波谐振腔”这个东西不会太小（Solar sail都是几十米半径大小），所以也不会太轻。当然我也不知道怎么估计这个辐射发动机需要的重量。
家园 然 所以需要做到较小的体积重量才有价值。
查了一下，欧洲SMART-1探测器使用的斯奈克马PPS-1350-G霍尔效应电火箭，1190瓦68毫牛（也就是说推力和这个可比，电功率没法比。。。），发动机系统自重29千克，总共工作了5000小时，消耗了82千克氙工质。没查到工质储存的相关重量，恐怕也有不少。
这么算的话，如果这个系统能控制到120千克水平，并且微波源（或者说整个系统）能达到5000小时寿命，基本就可以秒这个电火箭了，到底可以省掉90%用于推进的电源。。。
如果能把重量控制到这个水平，体积上大概可以通过一些折叠结构之类的东西控制在合理水平。
不知道他们做到什么样的体积质量，不过实验室里头做原理验证恐怕不免傻大粗黑，真的应用于航天的话，应该还有很大减重空间。还是to good to be true...
家园 不会太大吧 微波炉也不大啊
