[論文レビュー] Electrostatic AB-Ramjet Space Propulsion

Alexander Bolonkin|ArXiv.org|Jan 8, 2007

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics参考文献 24被引用数 17

ひとこと要約

本論文では、上層大気（85–1000 km）および太陽風からのイオンを収集する charged sphere を用いて、推進力を発生させるか、または減速させて抗力を発生させるとともに電気エネルギーを生成する静電式 AB-ランジェット宇宙推進系を提案する。この概念により、長期間にわたる衛星定位置保全、軌道投入、深宇宙ミッション、宇宙ごみ低減が可能となり、シミュレーションでは数ニュートンの推力が得られ、推進とエネルギー生成の二重機能が実現される。

ABSTRACT

A new electrostatic ramjet space engine is proposed and analyzed. The upper atmosphere (85 -1000 km) is extremely dense in ions (millions per cubic cm). The interplanetary medium contains positive protons from the solar wind. A charged ball collects the ions (protons) from the surrounding area and a special electric engine accelerates the ions to achieve thrust or decelerates the ions to achieve drag. The thrust may have a magnitude of several Newtons. If the ions are decelerated, the engine produces a drag and generates electrical energy. The theory of the new engine is developed. It is shown that the proposed engine driven by a solar battery (or other energy source) can not only support satellites in their orbit for a very long time but can also work as a launcher of space apparatus. The latter capability includes launch to high orbit, to the Moon, to far space, or to the Earth atmosphere (as a return thruster for space apparatus or as a killer of space debris). The proposed ramjet is very useful in interplanetary trips to far planets because it can simultaneously produce thrust or drag and large electric energy using the solar wind. Two scenarios, launch into the upper Earth atmosphere and an interplanetary trip, are simulated and the results illustrate the excellent possibilities of the new concept.

研究の動機と目的

• 上層大気および太陽風に存在する周囲のイオンを活用して、持続的な宇宙空間内運用を実現する新しい宇宙推進系の開発を目的とする。
• 従来の推進系の限界を克服し、推進剤質量の枯渇なしに長期間にわたる定位置保全を可能にする。
• 軌道内および太陽系間空間において、イオン収集を用いた推力生成と電気的エネルギー回収の可能性を検討する。
• 高地球軌道、シルラunarミッション、および深宇宙探査のための打ち上げ支援機構としての本システムの可能性を示す。
• 持続可能な宇宙ミッションを実現するため、推進とエネルギー生成の二重機能を評価する。

提案手法

• 上層大気（85–1000 km）および太陽系間空間に配置された charged 球形収集器が、イオン層および太陽風からの正イオン（陽子）を引き寄せ収集する。
• 電界を印加して収集したイオンを後方へ加速させ、運動量移動により推力を発生させる。
• 同じシステムがイオンの加速を逆転させることで、減速操作を実行し、電磁誘導を介して運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
• 太陽電池または他の外部電源により、電界を維持し、収集器を帯電させる。
• 理論的モデリングとシミュレーションを用いて、軌道投入および太陽系間移動の二つのシナリオにおける推力、抗力、エネルギー生成を分析する。
• 静電気、プラズマ物理学、軌道力学の原則を統合し、イオン収集とエネルギー変換効率を最適化する設計を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 charged sphere は、上層大気および太陽風からのイオンを効果的に収集し、測定可能な推力を発生させることができるか？
• RQ2 収集したイオンを静電加速することで得られる最大推力はどの程度か？
• RQ3 同じシステムが、抗力作動中に有用な電気エネルギーを同時に生成できるか？
• RQ4 静電式 AB-ランジェットは、低地球軌道における長期間にわたる衛星定位置保全にどの程度効果的か？
• RQ5 本システムは、深宇宙ミッションのための打ち上げ支援または軌道投入機構として機能できるか？

主な発見

• 静電式 AB-ランジェットは、収集したイオンを加速させることで数ニュートンの推力を発生させ、持続的な軌道定位置保全を可能にする。
• イオンの減速により電気エネルギーが生成され、推進とエネルギー生成の二重機能が実証された。
• シミュレーションにより、本システムが高地球軌道への打ち上げ、シルラunar目的地、および深宇宙ミッションに応用可能であることが確認された。
• 本システムは、大気圏への帰還ミッションを可能とし、宇宙ごみ低減のための脱軌道推進器としても機能する。
• 推進剤を搭載しないという特徴により、周囲のイオン源に依存するため、長期間のミッションを支援する。
• 理論的分析により、本システムは地球周辺および太陽系間環境の両方で効果的に動作可能であることが示された。