电弧喷射火箭中常用的推进剂,其排气速度通常为 9000 米 / 秒,是典型化学火箭的两倍多。
与同类的电阻加热喷气发动机相比,电弧喷射火箭的效率通常更高,但两者都存在耐用性和寿命方面的问题,尤其是电极易受损。无电极设计(如脉冲感应推进器)正试图解决这一问题。
偏差推进器
偏差推进器是 “克拉克科技” 发动机的一个例子,其工作原理并非扭曲时空,而是局部改变宇宙的物理常量 —— 在这种情况下,是改变航天器前后方的引力常量,使航天器本质上 “落向” 目的地。
目前,我们尚无改变物理常量的方法。而且,即便偏差推进器能够正常工作,航天器中心也可能会产生奇点。不过,这类航天器在从 a 点移动到 b 点的过程中无需消耗任何燃料,并且偏差推进器似乎能为制造发电和供能的永动机提供可能。
当然,也完全有可能,改变物理常量的技术仍然需要遵循能量和动量守恒等物理定律。
黑洞推进器
黑洞推进器是一类假想的航天器推进方法,其应用范围广泛,既可以利用天然黑洞为航天器加速和改变航向,也可以 “操控”移动整个恒星系统
其中最广为人知的一种设计,是利用质量在亚百万吨级的微型黑洞产生的霍金辐射来工作。其他方法还包括利用彭罗斯机制或类似原理,将物质注入黑洞(通常假设是质量超过百万吨级的微型黑洞),在物质下落过程中,其 20 至 40 的质量能量会以辐射形式释放出来,从而获取能量。
通过这种方式从黑洞获取能量,在技术层面上并不复杂,本质上与其他核反应过程类似,都是吸收黑洞释放出的高能光子。人们认为,可以利用磁场将这类黑洞与航天器或空间站连接起来 —— 黑洞既能产生磁场,也会与磁场相互作用。
关于黑洞在航天器中的其他用途,可观看我们的《黑洞飞船》节目,其中还探讨了将黑洞用作航天器的动力源、为光子火箭供能、驱动巨型激光推进光束(就象我们为激光帆和推进中继站设想的那样),甚至将黑洞用于 “弹弓效应”,让航天器围绕黑洞做圆周运动以达到高速等应用场景。
布塞曼冲压发动机
布塞曼冲压发动机的内核设计理念是:宇宙空间中充斥着大量电离气体粒子(其中大部分是氢),这些粒子是现成的核聚变燃料。如果能够利用磁场捕获这些粒子并将其吸入航天器,就能将其用作燃料。
之所以被称为 “冲压发动机”,是因为它与吸气式冲压发动机的工作原理有相似之处 —— 都是吸入介质(前者吸入星际气体,后者吸入空气),对其进行超高温加热后再从后方喷出。不过,在布塞曼冲压发动机中,加热气体的能量来源于气体自身的核聚变反应。
要引发这种核聚变,需要以相对论速度吸入星际气体,并将其强力压缩至航天器的 “喉部” 局域,使气体粒子在极高的速度、温度和压力下相互碰撞。
这种设计曾被认为有望为航天器提供无限的能量来源 —— 航天器在飞行过程中可以从太空中 “抓取” 燃料,就象船只在柴油海上航行一样。事实上,在一段时间内,人们曾设想利用它实现航天器的持续加速,这一理念在科幻经典小说《牵引零点》以及引力偶极子推进器、激光帆等其他推进系统的相关设想中都有体现。
然而,后续的数学计算表明,这种设计并不可行。实际上,一些观点认为,该方法消耗的能量可能比反应释放的能量还要多,最终会导致航天器减速。颇具讽刺意味的是,这一特性使得该推进器在 “免费减速” 方面颇具优势:在旅程初期,可借助激光帆和中继系统将航天器加速到一定速度;抵达目的地时,再利用布塞曼冲压发动机进行减速,同时为航天器的其他功能供能。
此外,如果航天器本身配备了正常运行的核聚变反应堆,且飞行速度不超过其常规排气速度,那么这种利用磁场捕获电离粒子的技术是完全可行的,因此也适用于那些配备常规核聚变反应堆、计划以光速的百分之几的速度飞行的巨型航天器,例如自由号深空采矿船、巡逻舰,或是需要维持轨道位置并补充燃料的巨型光束站(无论是激光能量站还是物质束站)。
另外,如果在航天器的 “喉部” 局域放置一个可补充物质的黑洞,将捕获的物质注入黑洞,那么航天器的飞行速度将取决于该系统的有效排气速度。否则,在捕获物质后,为了将其用作能量和推进剂,需要吸收物质的动量,而这所需的能量可能会超过从中获取的能量。
因此,布塞曼冲压发动机虽未达到最初的设计预期,但它的一些变体设计和替代应用仍值得关注。
加粗 - 卡普兰推进器
卡普兰推进器是马修?卡普兰于 2019 年提出的一种移动恒星的方法。该方法利用静态卫星汇聚太阳能,使恒星风以光束形式从恒星向外喷射,随后这些光束会穿过一个巨大的布塞曼冲压发动机设备,并与氧 - 14 射流共同作用,从而以远高于传统希卡德推进器的速度推动恒星。
加粗 - 化学火箭
“化学火箭” 是一个统称,函盖所有依靠化学反应(通常是燃烧反应)运行的火箭。这类火箭最显著的特征是会产生高强度的火箭火焰,这在无数火箭发射场景中都能看到。
在化学火箭中,燃料通常与氧化剂混合燃烧,产生高温的推进剂。由于温度极高,推进剂具有很高的排气速度,能以巨大的动量从火箭喷管喷出,同时推动航天器向相反方向运动。
与压缩气体(如二氧化碳气动枪、水压玩具火箭中使用的压缩气体)或弹性设备(如传统弹弓、弓箭发射 projectile 时依靠的弹性力)等其他推进方式相比,化学火箭通常具有高得多的排气速度和比冲。
由于燃烧反应发生迅速,化学火箭能产生足够大的推