为了减少地球交通工具对化石燃料的依赖,我们陆续开发出以电池做为动力源的油电混合车、电动车等,而除了电池,离子推进器其实也是种替代性动力源,只不过目前多应用在太空飞行器。最近,中国武汉大学团队设计出可在大气环境下运作的等离子喷射推进装置原型,于实验室中测试可产生和商用喷射发动机差不多的推力效率。
科学家已开发各种型态的离子发动机(Ion thruster,即离子推进器)或电浆推进发动机(Plasma propulsion engine)多年,希望减少燃烧化石燃料引起的温室效应和全球暖化问题。
已知 ESA 的水星探测器贝皮可伦坡号(BepiColombo)、Ad Astra 的 VASIMIR 等离子引擎、NASA 的 NEXT 离子推进器、NASA 深空 1 号的 NSTAR 离子推力器、曙光号(Dawn)小行星探测器等,都是应用这类型推进器做为推进系统的著名例子,它们使用氙为推进剂,先将气体电离、然后再用电场力将带电的离子加速后喷出。
但这种离子推进器只能应用于真空环境,地球大气层内无法发挥作用,因加速的氙离子在与空气分子摩擦后便失去大部分推力,更不用说离子推进器产生的推力少得可怜。
对此,中国武汉大学团队构思出一种仅使用空气和电力、就能产生足够强推力的新型等离子推进装置。首先,研究人员使用磁控管产生功率相对较高的微波(约1kW),接着微波沿着逐渐变窄继又变宽的导波管(waveguide)传播;在导波管的最窄处,有一垂直穿过的石英管(quartz tube),空气会被空气压缩机逼着流入石英管、穿越一小段导波管、再从石英管另一端流出。
在石英管入口处,空气被强电场电离产生低温等离子体,接着经过导波管被强大的微波撞击时,会与其他未电离的原子频繁碰撞,从而大幅提高等离子体的温度和压力,在团队实验中,研究人员称等离子体迅速加热到 1000℃ 以上,当热气离开导波管,加热的等离子体会产生类似火炬的火焰,进而产生推力。
见以下实验影片。
最终,研究团队测出新型等离子体推进器的推力效率约 28N / kW,与现代涡轮扇发动机产生的推力非常相近,比如空巴 E-Fan 电动飞机的推力效率为 25 N / kW,几乎媲美。
假如这项新颖的等离子推进器设计能有所突破,将为电动飞机领域带来重大贡献。新论文发表在《AIP Advances》期刊。
- Electric microwave plasma thruster could rival traditional jet engines
- Microwave thruster makes for clean-burning jet
- Fossil fuel-free jet propulsion with air plasmas
(首图来源:影片截图)
延伸阅读:
- 没有螺旋桨和涡轮机,全球首架极静“离子风飞机”成功试飞