14 个可以彻底改变航天的尖端航天器推进概念

将火箭发射到太空既昂贵又复杂，需要精密的工程和团队合作。虽然传统的化学火箭在当今的火箭队中占主导地位，但一波创新的推进概念有望扩大人类的射程，减少发射质量，并缩短前往遥远世界的旅行时间。

每个推进系统都有其优点和局限性。最常见的方法——通过拉瓦尔喷嘴喷射高速气体——已经为无数次任务提供了动力，但它依赖于携带自己的氧化剂，从而增加了重量。新兴技术旨在通过利用大气、磁场、反物质甚至时空结构来克服这些限制。

14。协同涡轮喷气发动机

协同涡轮喷气发动机是一种混合动力发动机，将吸气式涡轮喷气发动机原理与火箭推进相结合，可实现单级入轨飞行而无需降级。通过吸入大气并通过轻型预冷器对其进行压缩，发动机将高压高温空气送入燃烧室，在燃烧室中点燃液态氢。这消除了对重型机载氧化剂的需求，降低了发射质量并提高了整体效率。

该设计由英国公司 Reaction Engine Limited 为 Skylon 太空飞机开发，展示了如何将大气进气和机载燃烧相结合，在高空产生强大、清洁的推力。

13。电磁线圈炮发射器

电磁线圈枪利用脉冲磁场加速有效载荷，消除物理接触并减少电弧。通过快速连续地给一系列螺线管线圈通电，该装置将动能传递给沿着铁轨或轨道行进的物体。尽管需要几英里长的轨道才能达到轨道速度（投资数十亿美元），但高功率开关和导体材料的进步使这一概念变得越来越可行。

12。真空到反物质火箭星际探索系统（各种）

VARIES 建议使用大型太阳能电池阵列为高强度激光器提供动力，通过施温格对生产来产生反物质。由此产生的反物质将被存储在磁性“瓶子”中，然后在受控湮灭反应中释放以产生推力。虽然这个概念提供了非凡的比冲——可能只是光速的一小部分——但它需要强大的磁约束、伽马射线屏蔽和先进的材料，才能在星际旅行的强烈辐射环境中生存。

11。核热火箭

在核热火箭中，反应堆将氢气加热到远远超过化学发动机的温度，然后通过喷嘴使其膨胀以产生推力。这产生的比冲大约是传统化学火箭的两倍。 Rosatom 的原型预计可将地球到火星的旅行时间从 18 个月缩短至 45 天，这一巨大改进可以实现快速载人任务和深空后勤。

10。涵道火箭

涵道火箭利用冲压进气口捕获并再循环大气，并用火箭自身的排气对其进行压缩。这种协同效应提高了有效排气速度，使给定的燃料负载能够实现 500 秒以上的比冲，是最佳化学发动机性能的两倍。然而，该系统需要精确设计的进气口，与飞行器机身无缝集成，并且必须适应飞行器上升时逐渐减少的空气供应。

9。恒星风衣

太阳风——来自太阳的高能带电粒子——可以用来推进。磁帆，例如安德鲁斯祖布林磁帆中使用的超导回路，拦截这种等离子体，使其偏转以产生推力，同时保护航天器免受有害粒子的侵害。调整磁场方向可以进行转向，从而提供一种无需燃料的方法来导航内部太阳系。 NASA 2018 年小行星侦察机飞越演示了基本的太阳帆，为更雄心勃勃的风力任务铺平了道路。

8。嵌套式通道大厅推进器

传统的霍尔推进器受到单个排放通道尺寸的限制。嵌套通道设计堆叠多个通道，从而实现更高的功率密度，同时减少总体质量。通过有选择地激活通道，操作员可以节流推力并调整出口面积，为效率和寿命至关重要的深空任务提供多功能控制。

7。反物质火箭

反物质湮灭释放的能量密度比化学反应大几个数量级。与当前火箭所需的数吨推进剂相比，仅 100 毫克反物质就可以将航天器从地球推进到火星。挑战在于安全生产、储存和受控湮灭，因为该过程会发出能够损坏电子设备和屏蔽的高能伽马射线。 NASA 的 NIAC 正在探索减轻这些危害的设计。

6。外部脉冲等离子体推进

受到猎户座计划的启发，这种方法利用飞行器后面的小型核爆炸来产生推力。早期设计实现了 6,000 秒的比冲，远远超过了传统发动机。理论上，进一步的改进可以达到 100,000 次，从而使快速星际旅行成为可能。虽然政治和环境限制阻碍了最初的计划，但现代研究的重点是更安全、更可控的脉冲机制。

5。代达罗斯计划

代达罗斯计划于 20 世纪 70 年代受英国星际协会委托，设想进行为期 5 年的设计研究，设计一种能够在 50 年内到达巴纳德星（5.9 光年）的无人星际探测器。该两级飞行器将利用以氚氘弹丸为燃料的惯性约束聚变将光速加速到 12%。结构材料（与碳、锆和钛混合的钼合金）经过精心挑选，能够承受从低温到 1,600K 的极端温度。

4。立方体卫星双极推进器（CAT）

CAT 是一款专为 1U 或 3U 立方体卫星设计的微型等离子发动机。它采用直流转射频振荡器和射频天线来产生螺旋波，加热电子，进而电离周围的气体。然后，稀土磁喷嘴加速离子，产生推力，同时电子仍受到限制。这项技术有望为低成本卫星提供自主定位和深空任务。

3。纳米粒子微推进

NanoFET（纳米粒子场提取推进器）利用静电场加速纳米和微米粒子，实现单位质量的高推力。这种方法对微型卫星很有吸引力，也可以适用于环境修复或生物医学应用。进化氙气推进器 (NEXT) 证明，在同等动量下，离子发动机可以将推进剂质量从 10,000 公斤减少到 860 公斤，凸显了电力推进的效率。

2。光子激光推进器

K. Bae 博士的光子激光推进器通过从航天器安装的镜子上反复反射激光束来消除机载推进剂。每次反射都会放大光子动量，只需 15kW 的激光功率和 10,000 次反射周期即可产生 1N 的推力，相当于 100kW 太阳能电池板的推力。这种“光子回收”技术为轻型探测器提供了精确、高速的操纵，并且可以作为一种太空加油形式。

1。阿尔库别雷曲速引擎

物理学家米格尔·阿尔库别雷（Miguel Alcubierre）提出了一个理论框架，其中航天器可以通过收缩前方空间并扩大后方空间来比光速移动得更快。尽管数学上允许这样的扭曲气泡不违反相对论，但实际实现将需要具有负能量密度的奇异物质——目前还没有这种成分。尽管如此，这个概念刺激了对量子场操纵和时空基本极限的研究。