第 2.6 節 - 離子推進器和等離子體推進器
燃燒型發動機在溫度方面受到限制，因此氣體排氣速度也受到限制，無論是燃料的化學能還是發動機材料的熔點。離子推進器和等離子體推進器透過以下一種或多種方法繞過了這些限制，並實現了更高的速度：使用外部能源、降低能量密度以限制發動機加熱，或使用磁場等非物質約束來引導氣流。這些方法也往往使離子推進器和等離子體推進器比燃燒型發動機更重，因此它們不用於從高重力天體發射。相反，它們在軌道上或遠離引力阱的地方執行，那裡已經存在低重力環境。
離子推進器和等離子體推進器都涉及高能粒子。區別在於密度。在前者中，粒子單獨起作用，而在後者中，它們足夠密集，需要將它們視為流動的介質。
其他名稱
型別
描述：靜電離子推進器通常的工作原理是首先電離推進劑，然後使用電壓梯度加速離子。它們能夠實現很高的排氣速度（30-50 km/s），但能量密度和推力相對較低，以防止產生熱量和腐蝕產生電壓差的網格。由於兩個平面網格之間的電壓梯度是均勻的，因此離子束在沒有噴嘴的情況下也能很好地定向。僅排放正離子會在發動機上產生淨電荷，因此離子發動機還配備電子槍來平衡發射的電荷。
所有離子發動機都需要外部電源。已經提出了一些電源變化方案，但只有太陽能-電力推進器被實際使用。由於電離僅僅是移除了一個電子，但並沒有加速離子，因此它代表了發動機效率的損失。因此，離子發動機傾向於選擇原子量相對於電離能較高的燃料。由於大多數原子量高的元素是固體，因此通常選擇汞和氙，有時如果在寒冷環境中執行或希望達到非常高的排氣速度，也會選擇氬。
狀態：近年來，一些通訊衛星和星際航天器已經使用了離子推進器。
變種
- 48a 太陽能-電力推進器 - 陽光由光伏陣列轉換成電能。電能用於透過靜電電壓電離和加速推進劑。
- 48b 熱電離子推進器 - 放射性同位素衰變產生熱量。熱量由半導體轉換成電能。電能電離並加速發動機中的原子。
- 48c 雷射-電力推進器 - 調整到光伏電池最佳吸收波長的雷射提供能量。電池將雷射光轉換為電能，用於為離子發動機供電。然後，離子發動機電離並加速推進劑。使用雷射的目的是獲得比自然陽光提供的更高的功率水平。
- 48d 微波-電力推進器 - 航天器上的微波接收天線或整流天線將微波轉換為電能。電能用於電離和加速原子。微波天線可以重量輕，但執行距離受到長波長聚焦能力的限制。
- 48e 核能-電力推進器 - 核反應堆產生熱量，熱量在熱電或渦輪/發電機迴圈中轉換為電能。電能用於電離推進劑並透過靜電電壓加速推進劑。這更適合高功率應用和太陽光較弱的外太陽系位置。
- 48f 電噴霧推進器 - 一種離子液體從類似於噴墨印表機的毛細管噴嘴中發射出來。然後，高壓電極加速帶電液滴。這適用於非常小的推進器水平，用於小型航天器或轉向，因為光刻可以用來製造微小的噴嘴。
- 48g 膠體推進器 - 此方法加速的不是單個離子，而是相對較重的膠體帶電粒子。
參考文獻
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- 電噴霧推進器
- 微型推進系統，用於非常小的衛星，洛桑聯邦理工學院微系統太空技術實驗室。
其他名稱
型別
描述：陽光由光伏陣列轉換成電能。電能透過推進劑流產生電弧，將其加熱成等離子體。然後，推進劑透過噴嘴膨脹。噴嘴沒有使用特定的防熱措施。電弧噴射法使用相對較低的能量密度和推力水平，以及厚壁耐火金屬作為燃燒室和噴嘴。使用聯氨或氨等液體燃料可以達到約 6-8 km/s 的排氣速度。
狀態：電弧噴射發動機已用於航天器，並且在地球上通常用作切割金屬的等離子體炬。
變種
- 脈衝等離子體推進器 - 透過在兩個電極之間用電弧燒蝕特氟龍材料來工作。洛倫茲力將材料加速出去作為推力。
- 真空電弧推進器 - 透過真空電弧蒸發和電離陰極材料來工作。等離子體向外加速作為推力。
- 磁等離子體動力推進器 - 透過中心陰極和外殼陽極之間的電弧工作。它們之間的流動氣體被電離並透過電流和磁場相互作用產生的洛倫茲力加速。
參考文獻
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其他名稱
型別
描述: 高壓（數百 keV）電子束被軸向注入推進劑流。電子束將流加熱到等離子體溫度，從而產生高比衝。冷氣體沿著腔室壁注入以提供薄膜冷卻並保護腔室免受極高溫等離子體的損害。
狀態
變種
參考文獻
其他名稱: 電子迴旋共振吸收火箭，可變比衝磁等離子體火箭 (VASIMR)，螺旋等離子體推進器
型別
描述: 部分電離的氣體直接吸收微波，變得很熱，然後透過火箭噴嘴膨脹。為了防止高溫等離子體損壞發動機，使用磁場進行約束，通常使用超導體來提高效率。當前版本使用氬氣作為推進劑，但其他氣體也應該可以透過調整工作。可以使用未加工的岩石作為燃料。
狀態: VASIMR 正在進行地面測試
變種
參考文獻
- 2012 年 3 月 27 日，來自 Ad Astra Rocket Company 關於替代燃料的個人交流。關於其推進器的廣泛出版物連結到主描述頁面。
其他名稱
型別
描述: 純粹的核聚變火箭的排氣是稀薄的、極度高溫的等離子體，它提供了非常高的效能。如果需要更高的推力，可以將氫與等離子體混合。這會以效能為代價增加推力。透過改變混合比例，可以在任務期間根據需要調整效能與推力之間的關係。
狀態: 核聚變發動機等待實用核聚變反應堆，截至 2012 年，這些反應堆仍處於研究階段。
變種
- 反應堆洩漏混合 - 一些核聚變反應等離子體洩漏到約束場之外。這可能是反應粒子和未反應燃料的混合物。洩漏可以直接用作發動機排氣，或者與更多物質混合，以在較低效能的情況下獲得更高的質量流量/推力。
- 等離子體核心混合 - 核聚變核心等離子體可以有意地播種非反應物質，這些物質在反應中被加熱。一定百分比的物質從核心排出以產生推力，同時將新的燃料新增到核心。這種方法的潛在優勢是消除了在反應器之後新增質量的混合問題。核聚變發動機產生非常高的排氣速度，因此嘗試將更多物質混合到流中可能需要非常大的發動機部件。否則，流可能在有混合機會之前就消失了。
參考文獻
其他名稱
型別
描述: 純粹的反物質火箭的排氣是帶電粒子，γ 射線。這產生了極高的排氣速度，但推力相對較低。如果需要更高的推力，可以將氫與等離子體混合，但會以效能為代價。這可能需要一個大的磁瓶來約束粒子，氫離子（質子）足夠長的時間以混合。
狀態
變種
參考文獻
其他名稱
型別
描述: ELF-160A 推進器使用旋轉磁場 (RMF) 建立一個稱為場反轉構型 (FRC) 的高密度磁化等離子體。RMF 驅動的方位角電流與 FRC 在通量保持錐形推進器內部產生的增強的軸向磁場梯度耦合，產生一個大的軸向 JθxBr 力，將等離子體加速到高速。ELF-160A 是一款完全無電極推進器，推進劑與推進器主體之間是磁隔離的，準中性的，並且高溫推進劑與推進器之間沒有接觸。
狀態: 正在根據國防部的合同進行積極開發。
變體: 其中一個變體是電磁等離子體推進器 (EMPT)，這是一種無電極脈衝等離子體推進器，它產生並加速場反轉構型 (FRC) 以產生推力。
參考文獻
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