第 2.4 節 - 熱機
嚴格來說，帶有膨脹噴嘴的內燃機也是熱機，因為它們依賴於熱氣體。為了討論的目的，我們將這一組放在上一頁，而這一頁則討論非燃燒熱機。理論上可以將兩者結合成一個裝置，但這通常不考慮實際設計的原因。效能始終很重要，而輕分子在給定溫度下具有更高的排氣速度。因此，傾向於使用氫氣，如果實際，因為它是最輕的分子。液態氫需要極低的溫度（14K 或 -435F），因此長時間儲存對於小型儲罐來說不實用。較大的系統具有更好的表面積與體積比，並且可以使用主動冷卻來使其保持液體狀態。
電熱方法將外部提供的電力轉換為推進劑的加熱。
其他名稱：電熱衝壓發動機
型別：電力線加熱氣流
描述：由軌道提供的電壓高電透過發動機中的鎢熱交換器短路。這會加熱由在軌道之間移動的車輛攜帶的氫氣。假設軌道設定在斜坡上。效能與核熱火箭相同，約為 9 公里/秒的排氣速度，因為兩者都使用受發動機部件熔點限制的加熱氫氣。它需要非常高的功率水平才能為大型車輛提供動力：44 兆瓦/噸/ g 加速度。由於動力來自車輛外部，因此它可以產生足夠的推力以從地球上發射。由於氫氣燃料只儲存很短時間，因此絕緣和沸騰不是主要問題。這種方法將與其他地面加速器型別系統競爭，例如氣體槍或電磁線圈。
狀態：目前僅為概念。
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參考文獻
- Wilbur, P. J.；Mitchell, C. E.；Shaw, B. D. "電熱衝壓發動機"，AIAA 論文編號 82-1216，於 1982 年 6 月 21-23 日在克利夫蘭州克利夫蘭舉行的 AIAA/SAE/ASME 第 18 屆聯合推進大會上發表。
其他名稱
型別：光伏陣列加熱氣流
描述：在這種方法中，陽光產生電力，用於加熱經過或穿過加熱元件的氣體，通常在可儲存燃料催化分解成較輕的氣體之後。原則上它類似於電軌火箭，但用於軌道上的小型推力器，配有太陽能電池板作為電源。這限制了推力，因此它沒有強大的動力用於發射。與化學推力器相比，它獲得了大約 50% 更好的排氣速度[1]
狀態：這種方法用於延長通訊衛星的使用壽命，因為它們為其主要任務配備了大型太陽能電池板。最近的趨勢是使用離子推力器，其效能更好。
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參考文獻
- Louviere, Allen J. 等 "有人照管平臺的水推進劑電阻噴射器"，NASA 技術備忘錄 100110，1987 年。
這一組使用來自自然或人工來源的直接電磁輻射（光子）來加熱推進劑。
其他名稱
型別：太陽能通量加熱氣流
描述：在這種方法中，陽光由反射鏡或透鏡集中，然後加熱吸收器。吸收器將熱量傳遞給工作流體，通常是氫氣。然後氫氣透過噴嘴膨脹。如果吸收器是管子的形式，則排氣速度限制在約 9 公里/秒。如果吸收器是粒子床的形式，它不需要機械強度，可以使用耐火碳化物。假設鉭鉿碳化物，化學式 Ta4HfC5，的熔點為 4488 K（7619 F），這將為粒子床法設定上限。在測試該材料方面存在明顯的困難，因為沒有其他容器可以在熔化時容納它。床體旋轉以防止粒子被吹出，氫氣流從外部流入，然後流出噴嘴。陽光集中在內表面，然後是溫度最高點。氫氣在 3000K 以上解離成單個原子，導致排氣速度略高於 10 公里/秒。
太陽能聚光器可以非常輕，並且使用所有太陽光譜。因此，它們可以達到比電熱推力器更高的功率水平。與電熱通常一樣，它們更適合於主要推進而不是軌道維持。太陽的方向通常與推力的方向不同，並且會隨著時間變化。因此，太陽能熱系統需要一種方法來指向聚光器。一種處理方法是使車輛繞推力軸滾動，以及繞垂直軸旋轉聚光器。聚光器通常很大，因此需要在軌道上組裝或展開。
狀態：美國空軍已對元件進行了測試。由於其排氣速度高 3-5 倍，因此離子推力器和等離子體推力器已成為首選。
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參考文獻
- Gartrell, C. F. "未來的太陽能軌道轉移飛行器概念"，IEEE 航天電子系統彙刊，第 AES-19 卷第 5 期第 704-10 頁，1983 年。
其他名稱
型別：雷射加熱氣流
描述：來自外部來源的雷射束穿過一個視窗進入一個腔室。然後它被熱交換器吸收或聚焦以在氣流中產生雷射維持等離子體。然後，熱氣體透過噴嘴排出。透過使用對推進劑外部的強大能量源，可以使用高推力質量比實現約 10 公里/秒的排氣速度。在地球上實現這一點的一種方法是使用大型地面雷射器。或者，雷射器可以位於地面，並且一個導向鏡位於一座高塔的頂部。一個真空管道連線兩者。額外的高度可以避免大氣扭曲，並允許更大的距離到地平線。僅在上面級使用雷射推進將允許使用比一級系統所需的雷射器更小的雷射器。即便如此，目前還沒有足夠強大的雷射器，這限制了該方法的使用。其他向車輛供能的方法可能成本更低。
狀態：目前僅為概念。
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參考文獻
- Abe, T.；Shimada, T. "空間飛行器單元上的雷射輔助推進系統實驗"，第 38 屆國際宇航聯合會會議論文編號 IAF-87-298，1987 年。
- Abe, T.；Kuriki, K. "空間站上的雷射推進測試"，空間太陽能動力評論第 5 卷第 2 期第 121-5 頁，1985 年。
- Jones, L. W.；Keefer, D. R. "NASA 的雷射推進專案"，航天學與航空學，第 20 卷第 9 期第 66-73 頁，1982 年。
其他名稱
型別：雷射等離子體
描述： 在此方法中，推進劑是一個底部平坦的固體塊。第一個雷射脈衝蒸發一層推進劑。第二個更大的脈衝產生等離子體爆炸波，該波衝擊並加熱推進劑層。該層膨脹並抵靠在剩餘推進劑固體塊的底部。當等離子體消散並且雷射能夠再次到達塊體時，脈衝模式重複。由於不需要燃料箱或發動機，這些車輛的成本可能非常低，但它需要強大的雷射才能執行。例如，使用 20 公里/秒的排氣速度等離子體波以 2 g 的加速度加速 10 公斤的車輛需要平均功率為 2 兆瓦的脈衝雷射，而大型工業脈衝雷射約為 600 瓦[2]。由於推進劑溫度不受任何容器的限制，因此它可以比其他熱方法更高，因此效能更好。
10 公斤是這種型別車輛的可行尺寸，如果雷射可以一直聚焦到它到達軌道速度。理論上這將向軌道提供大約 6 公斤。對於更大的有效載荷，例如載客，雷射需要擴充套件到吉瓦功率水平，這導致了航天推進領域中常見的俗語“雷射推進沒有問題，除了缺少吉瓦雷射”。從地球發射公噸或更大有效載荷的所有發射方法通常都需要類似的功率水平。例如，太空梭主發動機，太空梭軌道器使用了三個，每個發動機的功率為 9.2 吉瓦。
狀態： 一些爆炸實驗已經在實驗室的小範圍內進行。
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參考文獻
- Kare, J.T. "SDIO/DARPA 雷射推進研討會，第一卷：執行摘要" 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室報告編號 DE87-003254，1987 年。
其他名稱
型別： 透過微波加熱氣體流動
描述： 對於這種方法，來自外部源的微波被熱交換器吸收或被波導集中到發動機中。氫氣流過發動機，吸收能量，然後透過噴嘴排出。地面上的大型相控陣微波陣列可以將能量聚焦到數百公里範圍內火箭大小的區域。鑑於將微波能量耦合到氫氣等工作流體的方法，這種型別的推進可以提供顯著的發射載具速度。高功率微波放大器以多種形式存在，效率高達 75%，功率水平高達 1 兆瓦。與雷射熱相比，主要的優勢是在相對較低的成本下能夠獲得高功率微波源。一個缺點是微波的波長比雷射大得多，因此在遠處保持聚焦更難。
- 設計示例：10 米直徑接收器，5 釐米波長，1 公里相控陣，射程 = 200 公里。
狀態： 目前只是一個概念。
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參考文獻
這一組使用核反應堆來加熱推進劑。它們在反應堆堆芯的物理狀態（固體、液體或氣體）上有所不同。
其他名稱
型別： 透過裂變反應堆加熱氣體流動
描述： 氫氣透過一個臨界核反應堆加熱，然後以高速從噴嘴排出。氫氣的低分子量允許比燃燒火箭更高的排氣速度，約為 9 公里/秒。優點包括高功率水平和高總儲存能量。
核熱的問題包括
- 對於單次任務，當氫氣消耗完時，反應堆的能量幾乎沒有被利用，留下一個現在具有放射性的堆芯，如果要進行另一次任務，則需要對其進行處理。
- 需要對機組人員和貨物進行輻射遮蔽。在一定程度上，這可以由對自然空間輻射環境的遮蔽需要來緩解。
- 任何型別的核裝置都會引發廣泛的安全和環境問題，即使它是在軌道上才被啟用，即使從技術角度來看並不真正需要。解決此問題的辦法是在地球以外開採並使用裂變材料。例如，月球表面部分地區的釷濃度為百萬分之十。如果用作反應堆燃料，這可以提供 350 兆焦/公斤未加工月球土壤的淨能量，大約是地球上汽油能量密度的 7 倍。當然，經過加工的燃料的能量密度將高出 100,000 倍，但未加工礦石的能量密度表明了開採它的可行性。
與離子推進器和等離子體推進器相比，核熱具有大約 3-5 倍的低排氣速度，但推力水平高得多。相對於核熱軌道時間而言的近乎瞬時的燃燒，與電推進器相比，持續燃燒的優勢降低了 30%，但仍然是 2.1-3.5 高。方法的選擇將取決於燃料質量的重要性，燃料質量通常很高，因此如今通常更喜歡電推進器。與太陽熱相比，在排氣速度方面具有大約相同的效能，但推力水平更高。
歷史 1960 年代美國主要的兩次反應堆開發工作是 KIWI 和 NERVA。除了用於技術開發的 3.28 億美元，在內華達州的核火箭發展站花費了 9000 萬美元，以及在其他測試設施花費了 1.53 億美元外，從 1955 年到 1972 年，核火箭開發總共花費了近 14 億美元（按當時的美元計算）（請參閱附錄 2：參考資料）。儘管進行了大量的發動機測試，但固體堆芯燃料在高溫（這對效能有利）下損壞的問題沒有得到解決。
狀態： 核火箭在 1960 年代的 NERVA 計劃下進入了測試階段。由於任務中沒有實際需求，以及對任何核武器的擔憂不斷上升，導致開發工作停止。從那時起，只進行了一些小的研究。
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- LOX 增壓核熱火箭推進 在氫氣被反應堆堆芯加熱後，注入氧氣[3]。這將推力提高了大約 3 倍，這對於初始發射很有用，然後在後期過渡到純氫以獲得更高的效率。由於生成的排氣的分子量較高，新增氧氣會導致排氣速度降低約 1/3。
- 顆粒床核發動機 - 儘管核火箭計劃在幾年前停止了，但布魯克海文國家實驗室最近在流化顆粒床反應堆方面的工作值得考慮將其用於發射載具。較小的顆粒尺寸（.3 毫米）允許工作流體（氫氣）具有很高的傳熱速率，因此可能具有很高的推力重量比。較小的顆粒也可能解決了燃料損壞問題，因為細粉中裂紋的範圍較小。排氣速度略微提高到 10 公里/秒。
參考文獻
- Thomas, Ulrich "核渡船 - 未來月球空間運輸選擇", 空間技術 (牛津) 第 7 卷第 3 期第 227-234 頁，1987 年。
- Holman, R.R.; Pierce, B. L. "NERVA 反應堆用於太空核推進的開發", 在 AIAA/ASME/SAE/ASEE 第 22 屆聯合推進大會上發表，阿拉巴馬州亨茨維爾，1986 年 6 月 16-18 日，AIAA 論文編號 86-1582，1986 年。
- Thom, K. 等人 "裂變等離子體用於太空動力和推進的物理學和潛力", 宇宙航行學報第 3 卷第 7-8 期第 505-16 頁，1976 年 7 月 - 8 月。
- DiStefano, E. "太空核推進 - 未來應用和技術", 第二次太空核動力系統研討會，新墨西哥州阿爾伯克基，1985 年 1 月 14 日，第 331-342 頁，1987 年。
其他名稱
型別： 透過裂變反應堆加熱氣體流動
描述： 為了獲得比固體堆芯火箭更高的效能，反應堆堆芯被提高到足夠高的溫度以使其成為液體。氫氣被鼓泡到液體中，然後從噴嘴排出。氫氣首先用於冷卻反應堆容器，因此溫度限制由容器而不是堆芯的熔點決定。預期排氣速度高達 13-15 公里/秒，但這種型別的發動機的開發和測試將很困難，因為測試失敗很容易將堆芯流體從噴嘴中噴出。
狀態： 目前只是一個概念。
變體
參考文獻
其他名稱
型別： 透過裂變反應堆加熱氣體流動
描述: 在這種版本中，反應堆堆芯的溫度足夠高，以至於處於氣態。氫氣流中摻雜了吸收材料，以直接吸收來自堆芯的熱輻射。堆芯透過透明容器（核燈泡）、利用鈾和氫之間密度差的流動渦流或利用鈾和氫之間電離差的磁分離來防止從噴嘴洩漏。預期效能範圍從石英容器的 15-20 公里/秒到流動渦流的 30-50 公里/秒。後者在離子或等離子推進器的範圍內，但開發和測試與液核一樣困難，因為在測試過程中有噴射堆芯的可能性。固體核反應堆為電推進器產生電力將具有與氣核核反應堆相同的效能，但開發問題較少。
狀態： 目前只是一個概念。
變體
參考文獻
- 維基百科文章: 核燈泡