第 2.7 節 - 高能粒子發動機
粒子發動機的效能通常非常好，因為粒子的速度很高。高速也需要大量的能量，因為粒子的動能與速度的平方成正比。
粒子火箭的特點是發射來自內部源的粒子，而下一節，外部粒子相互作用，涵蓋了利用環境中粒子（無論是天然的還是人造的）的方法。
其他名稱：獵戶座
型別：核爆炸產生的原子粒子
描述：一系列小型原子彈產生碎片/粒子，這些碎片/粒子會推擠一個板/減震器裝置。減震器將爆炸脈衝均勻化成對車輛的穩定加速度。這種方法的問題不在於技術可行性，而在於在地球附近使用它以及攜帶大量核武器的風險，更不用說船員和貨物輻射水平了。優點是巨大的潛在有效載荷和高加速度。一種可能的應用是移動危險的小行星。這不需要很多炸彈，推進板/減震器可以用小行星金屬製成，甚至可以用你要移動的小行星製成。
其他應用可能包括在太陽系外移動大量材料或開始星際旅行。遠離地球，新增到環境中的輻射問題就不那麼重要了，因為太陽和宇宙輻射已經大量存在。
狀態：原子彈已得到充分測試（不幸的是）。推進板技術的演示是在小型規模上使用常規炸藥完成的。
變體
- 54a 反物質催化脈衝核 - 這種推測方法使用反物質觸發鈽靶的內爆。理論上，這將使臨界質量降低到約 2 克，從而顯著降低脈衝核的尺寸閾值。
- 54b 內爆驅動脈衝核 - 標準裂變彈由化學內爆觸發。這種方法用雷射、離子束或其他外部驅動器來代替化學內爆來壓縮燃料負載。它有可能透過比化學物質所能達到的更強的壓縮來降低臨界質量，或者透過使用不同的同位素。
參考文獻
其他名稱：微聚變發動機
型別：由裂變或聚變反應堆產生的原子粒子
描述：目前正在探索兩種主要的聚變能方法。磁約束將高溫等離子體保持在或多或少穩定的狀態下，足夠長的時間以使聚變反應產生淨能量。慣性方法使用雷射或粒子束壓縮燃料顆粒，使其達到高壓和高溫，從而使聚變反應非常快地發生，之後它會迅速膨脹。這兩種方法都可以應用於太空推進。磁約束在聚變加熱等離子體發動機中進行了討論，而這種方法則側重於慣性約束。
燃料顆粒由一個聚變核心材料（例如氘/氚混合物）組成，該材料被一個襯裡包圍，以最佳方式吸收雷射或粒子束能量。可選地，裂變外殼包圍聚變核心。這類似於聚變原子彈的排列。或者，粒子束可以由可裂變重離子或可聚變輕元素離子組成，甚至可以由高度加速的惰性或反應性燃料的固體顆粒組成。所有情況下最終結果都是一團迅速膨脹的、高能粒子云。這些粒子被形狀磁場或推進板引導，以產生推力。推力可以透過你生成爆炸的頻率來改變。
狀態：慣性約束聚變正在被研究用於發電。化學內爆也是大多數核彈引爆的方式。
變體：透過組合可以實現多種變體
- 壓縮源：雷射、粒子/離子束或固體顆粒，
- 中心目標型別：在碰撞顆粒的情況下沒有，裂變和/或聚變燃料成分，
- 顆粒襯裡型別：沒有或是什麼材料，以及
- 推力方法：物理或磁性噴嘴
參考文獻
其他名稱
型別：放射性衰變產生的原子粒子
描述：放射性元素覆蓋薄板的一側，該薄板能夠吸收阿爾法粒子。發射到板中的粒子被吸收，而朝相反方向發射的粒子則逃逸，提供淨推力。優點是這是一個簡單的裝置，板的加熱可以透過熱電或熱機產生電力作為副產品。缺點是推力低，並且你無法關閉放射性。你需要關閉兩個板，使它們彼此面對以抵消推力，並像開啟書一樣開啟它們來開啟推力。
狀態：阿爾法發射器是眾所周知的。將它們用於推進目前還處於理論階段。
變體：放射性材料的選擇允許廣泛的推力水平。
參考文獻
其他名稱
型別：由裂變反應堆產生的原子粒子
描述：包含可裂變材料的細絲被排列成允許裂變產生的核碎片逃逸。它們被允許自然衰變以產生低推力裝置，或者被排列成核臨界排列以產生高推力。碎片透過靜電場或電磁場瞄準，使它們主要從推進器的後端出來。由於碎片的速度非常高，因此效能非常高。裂變衰變往往會損壞細絲的製作材料，因此需要為長期使用提供更換或重塑細絲的措施。
狀態：目前僅限於理論。
變體
- 57a 反物質帆 - 反質子被引導到塗有可裂變材料（如鈾）的帆上。它們的負電荷使它們能夠被捕獲在原子的電子殼層中，然後透過與原子核中的一個質子湮滅而引起裂變。一個裂變碎片被帆吸收，而另一個裂變碎片以光速的百分之幾的速度飛走，產生推力。
參考文獻
- 基於塵埃等離子體的裂變碎片核反應堆 Clark and Sheldon, Joint Propulsion Conference, 2005.
其他名稱
型別：由聚變反應堆產生的原子粒子
描述：已經提出了各種熱核聚變反應堆。聚變反應的結果是高能粒子，原則上可以利用這些粒子進行推進。這與 52 聚變加熱等離子體發動機不同，因為它除了聚變反應物之外沒有新增額外的燃料。而是直接使用高溫等離子體或逃逸的帶電粒子作為火箭排氣。由於截至目前尚未實現聚變反應的收支平衡，因此這仍然是一個理論概念。
實際包含聚變等離子體的具體方法將影響火箭的設計及其可行性，特別是裝置的質量。託卡馬克或仿星器等離子體約束裝置將帶來最大的問題，因為它們在用於推進時會吸取等離子體，而且它們自身的重量很大，會導致推力質量比不理想。使用高功率雷射或 X 射線對小型目標進行慣性約束聚變可能更容易融入推進裝置，但目前慣性約束聚變專案中雷射器和 X 射線發生器體積龐大，會導致同樣的推力質量比問題。
狀態：聚變領域正在進行大量研究。太空推進的應用理論上可行。除了對磁約束聚變和慣性約束聚變的大量資金投入，還有一些其他途徑，但資金投入較少。
變體
- 58a 磁約束 - 與託卡馬克聚變反應堆類似的腔室中的等離子體被故意洩漏到磁性噴嘴。
- 58b 慣性約束 - 燃料顆粒被雷射、電子束或離子束加熱和壓縮。融合後，產生的等離子體被磁性噴嘴引導。
- 58c 靜電約束 - 聚變燃料被約 100 千伏的球形勢阱約束。當燃料發生反應時，粒子以約 2 兆電子伏特的能量被噴射出來，因此會逃逸出勢阱。勢阱位於拋物面殼體的焦點處，該殼體將聚變粒子反射到後方形成窄束（20-30 度寬度）。
- 58d 等離子體幔約束 - 聚變燃料被包含在一個環形/極向電流模式中，類似於託卡馬克，只是所有電流都在等離子體中。電流模式周圍是一個等離子體鞘層，它將燃料與周圍的工作流體隔開。流體提供機械壓縮，將燃料加熱到聚變點火。燃料燃燒完成後，產生的能量將工作流體加熱到高溫，然後流出噴嘴產生推力。
- 58e 密等離子體聚焦 - 在徑向排列的高電流放電會導致等離子體塌縮到高溫高壓。該技術正在由勞倫斯維爾等離子體物理公司在新澤西州米德爾塞克斯郡開發。據報道，該裝置的聚變能量為 0.044 焦耳，而電容器能量為 50 千焦耳。輸出能量與輸入能量之比是衡量該裝置距離實際執行的距離。
- 58f 磁化靶聚變 - 碰撞的等離子體球被機械驅動器產生的聲波進一步壓縮。通用聚變公司在加拿大溫哥華附近正在研究這種方法。
參考文獻
- Freeman, M. "Two Days to Mars with Fusion Propulsion", 21st Century Science and Technology, vol 1, pp 26-31, Mar.-Apr. 1988.
- Kammash, T.; Galbraith, D. L. "A Fusion-Driven Rocket Propulsion Scheme for Space Exploration", Trans. Am. Nucl. Soc. vol 54 pp 118-9, 1987.
- Mitchell, H. M.; Cooper, R. F.; Verga, R. L. "Controlled Fusion for Space Propulsion. Report for April 1961-June 1962", US Air Force report number AD-408118/8/XAB, April, 1963.
- 慣性約束
- Kammash, T.; Galbraith, D. L. "A Fusion Reactor for Space Applications", Fusion Technology, v. 12 no. 1 pp 11-21, July 1987.
- Orth, C. D. et al "Interplanetary Propulsion using Inertial Fusion", report number UCRL--95275-Rev. 1: 4th Symposium on Space Nuclear Power Systems, Albequerque, New Mexico, 12 January 1987.
- Hyde, Roderick, "A Laser Fusion Rocket for Interplanetary Propulsion" , LLNL report UCRL-88857. Topics include
- - 聚變靶丸設計：燃料選擇。能量損失機制。靶丸壓縮指標。
- - 推力室：磁性噴嘴。遮蔽。氚增殖。熱建模。聚變驅動器（雷射器、粒子束等）：熱量排放。
- - 飛船概覽：質量估算。
- - 飛船效能：星際旅行需要處於聚變能力極限的排氣速度。行星際任務受功率/重量比限制。軌道建模。典型任務概要。參考資料，包括 1978 年發表在 JBIS 上的“代達羅斯計劃”報告，以及關於 ICF 和驅動器技術的幾份報告。
- Bussard, Robert W., "Fusion as Electric Propulsion", Journal of Propulsion and Power, Vol. 6, No. 5, Sept.-Oct. 1990. 摘要：聚變火箭發動機被分析為電推進系統，其推進推力-功率輸入功率比（推力功率“增益”G(t)）遠大於 1。傳統（太陽能、裂變）電推進系統的增益值始終很小（例如，G(t)<0.8）。對於這些系統，無法實現“高推力”行星際飛行，因為系統加速度（a(t)）能力始終小於區域性重力加速度。相反，一些聚變概念的增益值高出 50-100 倍，為“高推力”飛行提供了可能性。一個性能示例展示了單級地球/火星飛行器的 53.3 天（34.4 天動力飛行；18.9 天滑行）單程飛行時間，有效載荷率為 19%。另一個示例展示了在地球/月球空間進行高加速度（a(t)=0.55g(o)）飛行的潛力。）
- 靜電約束
- Bussard, Robert W., "The QED Engine System: Direct Electric Fusion-Powered Systems for Aerospace Flight Propulsion" by Robert W. Bussard, EMC2-1190-03, available from Energy/Matter Conversion Corp., 9100 A. Center Street, Manassas, VA 22110. Summary: This is an introduction to the application of Bussard's version of the Farnsworth/Hirsch electrostatic confinement fusion technology to propulsion. 1500<Isp<5000 sec. Farnsworth/Hirsch demonstrated a 10**10 neutron flux with their device back in 1969.
- 等離子體幔約束
- Koloc, Paul M., "PLASMAKtm Star Power for Energy Intensive Space Applications", Eighth ANS Topical Meeting on Technology of Fusion Energy, Fusion Technology , March 1989.
此筆記已有 20 年曆史，需要更新：無中子能量（聚變產生的中子通量很小或可以忽略不計）需要等離子體壓力和穩定的約束時間，而目前的方案無法提供這些條件。如果等離子體壓力能夠達到毫秒量級的燃燒時間，那麼就可以實現高功率密度，並獲得用於太空和其他特殊應用的非常緊湊、相對清潔的燃燒發動機。PLASMAKª 的創新將使這成為可能；其獨特的壓力效率結構、出色的穩定性、流體力學可壓縮幔層和直接感應式 MHD 電力轉換優勢已得到描述。每立方厘米數十兆瓦的峰值燃燒密度使其即使在多吉瓦特電力輸出規模下也保持緊湊。工程優勢表明，在非常低的成本下，可以快速開發。 （我強烈建議人們認真對待這個傢伙。Bob Hirsch 是託卡馬克的主要倡導者，最近他宣佈 Koloc 的 PLASMAKª 前身——球形磁體——是三種有前途的聚變技術之一，應該被優先考慮，而不是託卡馬克。除了前述的權威論據外，PLASMAKª 看起來終於用可靠的 MHD 物理學對球狀閃電進行了建模。——Jim Bowery)
- 密等離子體聚焦
- Lerner, Eric et al, Fusion Reactions from >150 keV Ions, Physics of Plasmas, v 19 issue 3, March 2012.
59 中性粒子束推進器
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型別
描述：高能（約 50 兆電子伏）粒子加速器產生質子束。該束被中和（與電子結合形成中性原子），然後被噴射出去。排氣速度接近光速的很大一部分，因此效能非常高。這種型別的機器在美國導彈防禦計劃中作為一種摧毀導彈（用束）的方法進行了探索。這種方法所需的太空推進能量超過核聚變所能提供的能量，因此只有在使用反物質或外部電源（例如雷射）時才有意義。
狀態：這種能量的粒子加速器自 20 世紀中期就已存在。限制這種方法的是缺乏電源，因此它尚未經過測試。
變體
- 59a 接近光速探測器 - 如果粒子加速器產生非常高能量的質子，使得相對論質量增加顯著，並且電源是位於源星的非常強大的雷射器，並且使用該星體作為引力透鏡進行聚焦，那麼火箭方程不再約束最終速度。接近光速的速度將是可能的，並且可以透過將加速器指向相反的方向來實現停止。在這種情況下，加速度受功率轉換和粒子加速器硬體的功率質量比的限制。
參考文獻
60 反物質湮滅
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型別
描述：原子和反原子（或它們的組成粒子）湮滅，產生介子，然後是μ子，然後是γ射線。帶電粒子可以被磁性噴嘴作用。γ射線可以被容器吸收，產生的熱量可以用來提供能量。反物質提供了理論上最高的能量燃料（100% 的物質-能量轉換），儘管儲存反物質涉及的開銷可能會將實際效率降低到與其他推進方法相當的水平。
狀態：少量反物質已在粒子加速器實驗室中被創造出來並被暫時儲存。目前，人們認為反物質在自然界中不存在大量存在。
變體
- 維基百科文章：紅移火箭
參考文獻
- Forward, Dr. Robert L. Antiproton Annihilation Propulsion, AFRPL TR-85-034 from the Air Force Rocket Propulsion Laboratory (AFRPL/XRX, Stop 24, Edwards Air Force Base, CA 93523-5000). NTIS AD-A160 734/0 注意：這是一項關於製造、儲存和使用反物質進行近中期（30-50 年）推進系統的技術研究。優秀的參考書目。Forward 是反物質最知名的倡導者。這可能也可作為 UDR-TR-85-55 從承包商那裡獲得，即代頓大學研究所以及 DTIC AD-A160 從國防技術資訊中心、國防後勤局、卡梅倫站、弗吉尼亞州亞歷山大市 22304-6145 獲得。它也可以從 NTIS 獲得，但號碼不同。
- G. D. Nordley, Application of Antimatter - Electric Power to Interstellar Propulsion, Journal of the British Interplanetary Society, June 1990.
B. 外部粒子相互作用
[edit | edit source]61 磁帆
[edit | edit source]其他名稱
型別
描述：磁帆的工作原理是在太陽風或行星離子流中放置一個大型超導迴路。電流回路產生磁場，該磁場偏轉離子，產生反作用力。由於迴路覆蓋了很大的面積，而這大部分是空的，因此它可以在給定的質量下產生相對較大的力。它的方向和強度受當地太陽風或離子流的限制。
狀態：磁場與離子流的相互作用已被充分理解。這種方法的可行性取決於足夠有效的方案設計。截至 2012 年，尚未進行過測試。
變體
參考文獻
其他名稱
型別
描述： 一個遠端粒子束源將其指向目標車輛。粒子要麼被吸收要麼被反射以直接產生推力，或者它們的動能被用作其他型別推進的電源。主要問題是保持光束足夠窄以成為有用的能量傳遞方式。
狀態：截至 2012 年尚未測試
變體
參考文獻
其他名稱： 巴薩德衝壓發動機
型別
描述： 一個大型漏斗或進氣口用於壓縮星際氣體，然後將其送入聚變反應堆以進行推進。由於星際介質密度低，因此需要一個極其巨大的收集器才能獲得任何有用的推力。效能受聚變反應排氣速度的限制，僅為光速的百分之一。換句話說，收集氣體會導致阻力，而在反應堆排氣速度下將不會有淨推力。這使得該系統成為一個有效的減速器，方法是將排氣口指向前方。在這種情況下，阻力和反向推力都會起到減速車輛的作用。星際氣體密度的變化會影響這種方法的可行性。透過部分使用內部燃料執行反應堆，這種型別的車輛可以達到足夠高的速度，以使收集器開始工作，然後達到更高的速度。透過使反應堆使用比收集的燃料更少的燃料，它可以實現自供給。
狀態：儘管該概念可以追溯到 1960 年，但由於缺乏實用的聚變反應堆，它尚未得到測試。
變體
參考文獻
[D77] R. W. Bussard, "Galactic Matter and Interstellar Flight", Astronautica Acta 6 (1960): 179 - 194.
[D78] A. R. Martin, "The Effects of Drag on Relativistic Spacefight", JBIS 25 (1972):643-652
[D79] N. H. Langston, "The Erosion of Interstellar Drag Screens", JBIS 26 (1973): 481-484.
[D80] D.P. Whitmire, "Relativistic Spaceflight and the Catalytic Nuclear Ramjet", Acta Astronautica 2 (1975): 497 - 509.
[D80] C. Powell, "Flight Dynamics of the Ram-Augmented Interstellar Rocket", JBIS 28 (1975):553-562
[D81] D.P. Whitmire and A.A. Jackson, "Laser Powered Interstellar Ramjet", JBIS 30 (1977):223 - 226.
[D82] G. L. Matloff and A. J. Fennelly, "Interstellar Applications and Limitations of Several Electrostatic/Electromagnetic Ion Collection Techniques", JBIS 30 (1977):213-222
其他名稱
型別
描述: 與星際衝壓發動機類似，星際介質被壓縮到聚變密度和溫度。在這個概念中，它只在橫向壓縮，然後在噴嘴上重新膨脹。為了達到聚變條件，需要不可思議的車輛尺寸和長度，但由於橫向壓縮不會像完全壓縮那樣造成阻力，因此不受排氣速度的限制。因此速度可能達到光速的相當一部分。
狀態
變體
參考文獻
其他名稱
型別
描述: 任何在開始時儲存所有燃料的推進系統，其燃料需求量會隨著速度呈指數增長。如果新增的燃料透過粒子或顆粒流交付，無論是從後面還是放置在前面，那麼這種指數需求就會變成線性需求。這是因為在每個點上，車輛只加速自身（加上少量燃料），而不是車輛加上整個任務的所有燃料。在後一種情況下，您是在早期使用燃料來加速後來的燃料，這會導致指數開銷。
狀態
變體： 就交付的燃料型別以及它是否形成粒子流、離散顆粒或燃料容器罐而言，有很多變體是可能的。順便說一句，這也可用於除燃料以外的其他型別的供應，但這屬於工程方法部分。
參考文獻
- "So You Wanna Build A Rocket?" at Project Rho gives quick estimates for a variety of atomic rockets -- including the Bussard Ramjet, the Nuclear Lightbulb, the Nuclear Salt Water Rocket, the magsail, etc. -- and related engineering challenges -- including radiation sheilding, space suits, etc.
- "The Relativistic Rocket" in the Physics FAQ describes some of the relativistic effects of traveling close to the speed of light, and one way to calculate "How much fuel is needed?".