[论文解读] Electrostatic AB-Ramjet Space Propulsion

Alexander Bolonkin|ArXiv.org|Jan 8, 2007

Electrohydrodynamics and Fluid Dynamics参考文献 24被引用 17

一句话总结

本文提出了一种静电AB-冲压喷气发动机空间推进系统，利用带电球体从高空大气层（85–1000公里）和太阳风中收集离子，通过加速离子产生推力，或通过减速离子产生阻力并发电。该概念可实现长期卫星 station-keeping（轨道保持）、轨道插入、深空任务以及空间碎片清除，仿真结果表明推力可达数牛顿级别，并具备推进与发电的双重功能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种新型空间推进系统，利用高层大气与太阳风中的环境离子，实现持续在轨运行。
• 通过利用离子收集技术，解决传统推进系统的局限性，实现无需推进剂质量耗尽的长期轨道保持。
• 探索利用离子收集技术在轨道和星际空间中同时实现推力生成与电能采集的可行性。
• 展示该系统作为高地球轨道、地月任务及深空探索的发射辅助装置的潜力。
• 评估系统在推进与电能生成方面的双重功能，以支持可持续空间任务。

提出的方法

• 在高层大气（85–1000公里）和星际空间部署一个带电球形收集器，以吸引并收集电离层与太阳风中的正离子（质子）。
• 施加电场以将收集到的离子向后加速，通过动量传递产生推力。
• 同一系统可反向加速离子，通过电磁感应将动能转化为电能。
• 系统由太阳能电池或其他外部能源供电，以维持电场并为收集器充电。
• 采用理论建模与仿真分析轨道插入与星际航行两种场景下的推力、阻力与电能生成性能。
• 设计结合静电学、等离子体物理与轨道力学原理，以优化离子收集与电能转换效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 带电球体能否有效从高层大气与太阳风中收集离子并产生可测量的推力？
• RQ2 通过静电加速收集离子，可实现的最大推力大小是多少？
• RQ3 该系统在阻力运行期间是否能同时产生可用的电能？
• RQ4 静电AB-冲压喷气发动机在低地球轨道中实现长期卫星轨道保持的有效性如何？
• RQ5 该系统能否作为深空任务的发射辅助或轨道插入装置？

主要发现

• 通过加速收集的离子，静电AB-冲压喷气发动机可产生数牛顿级别的推力，实现持续的轨道保持。
• 离子减速过程可产生电能，证明了系统在推进与发电方面的双重功能。
• 仿真结果证实，该系统可用于高地球轨道发射、地月目的地飞行及深空任务。
• 该系统可实现返回地球大气层，作为脱轨推进器用于空间碎片清除。
• 由于无需携带推进剂，该概念支持长期任务，仅依赖环境中的离子源。
• 理论分析表明，该系统在近地与星际环境中均能有效运行。