中國武漢大學設計出可在大氣環境下運作的離子噴射推進裝置原型

[peter]

https://technews.tw/2020/05/07/microwave-ion-thruster-earth-atmosphere/  

科學家已開發各種型態的離子發動機（Ion thruster，即離子推進器）或電漿推進發動機（Plasma propulsion engine）多年，希望減少燃燒化石燃料引起的溫室效應和全球暖化問題。

已知 ESA 的水星探測器貝皮可倫坡號（BepiColombo）、Ad Astra 的 VASIMIR 等離子引擎、NASA 的 NEXT 離子推進器、NASA 深空 1 號的 NSTAR 離子推力器、曙光號（Dawn）小行星探測器等，都是應用這類型推進器作為推進系統的著名例子，它們使用氙為推進劑，先將氣體電離、然後再用電場力將帶電的離子加速後噴出。

但這種離子推進器只能應用於真空環境，地球大氣層內無法發揮作用，因加​​速的氙離子在與空氣分子摩擦後便失去大部分推力，更不用說離子推進器產生的推力少得可憐。

對此，中國武漢大學團隊構思出一種僅使用空氣和電力、就能產生足夠強推力的新型等離子推進裝置。首先，研究人員使用磁控管產生功率相對較高的微波（約1kW），接著微波沿著逐漸變窄繼又變寬的導波管（waveguide）傳播；在導波管的最窄處，有一垂直穿過的石英管（quartz tube），空氣會被空氣壓縮機逼著流入石英管、穿越一小段導波管、再從石英管另一端流出。

在石英管入口處，空氣被強電場電離產生低溫等離子體，接著經過導波管被強大的微波撞擊時，會與其他未電離的原子頻繁碰撞，從而大幅提高等離子體的溫度和壓力，在團隊實驗中，研究人員稱等離子體迅速加熱到 1000℃ 以上，當熱氣離開導波管，加熱的等離子體會產生類似火炬的火焰，從而產生推力。
研究團隊測出新型等離子體推進器的推力效率約 28N / kW，與現代渦輪扇發動機產生的推力非常相近，比如空巴 E-Fan 電動飛機的推力效率為 25 N / kW，幾乎媲美。

假如這項新穎的等離子推進器設計能有所突破，將為電動飛機領域帶來重大貢獻。新論文發表在《AIP Advances》期刊
https://youtu.be/oqXyX2dUaYA

[peter]

e-Fan
  http://familystar.org.tw/index.php?option=com_smf&Itemid=45&topic=33926.0

[peter]

https://tomorrowsci.com/technology/%e9%9b%b6%e7%a2%b3%e6%8e%92%e6%94%be-%e9%9b%bb%e6%bc%bf%e6%8e%a8%e9%80%b2%e5%99%a8-%e7%a9%ba%e6%b0%a3-%e9%9b%bb%e5%8a%9b/

該研究的通訊作者，武漢大學湯朝暉教授表示：「我們的研究動機是解決人類使用化石燃料為汽車和飛機等機械提供動力造成的全球暖化問題。我們的設計不需要化石燃料，因此，不用擔心碳排放會引起溫室效應和全球暖化。」

除固體、液體和氣體之外，電漿是物質的第四種狀態，由聚集的帶電離子組成。它自然存在於太陽表面和地球上的閃電等處，但也可以人工生成。研究人員將空氣壓縮成高壓，並使用微波將加壓的空氣流離子化來創造電漿流。

此方法與以往其他電漿噴射推進器的關鍵差異在於，過去的電漿噴射推進器，例如 NASA 的黎明號（Dawn）太空探測器，使用的是氙氣（Xenon）的電漿，無法克服大氣的摩擦力，因此其動力不足以用於地球上的航空運輸。然而，這種新式的電漿噴射推進器僅使用空氣和電力生成高溫高壓的電漿。
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聚沙成塔

在原型機中，高壓空氣通過微波電離室而轉變為電漿，實驗方式是在石英管上放置一顆可調整重量的中空鋼球，通過設定不同的微波功率、空氣流量，觀察可讓多重的鋼球開始在石英管上震動，藉此算出推力，再扣掉無產生電漿時，單純高壓空氣氣流即有的推力，計算出淨推力。  例如，400 瓦的微波和每小時 1.45 立方公尺的空氣流量，可產生 11 牛頓的推力，相當於 28 牛頓每千瓦的效率，再考量石英管截面積，單位面積的推力可媲美商用飛機的噴射引擎，若使用高功率微波源與建構推進器陣列，便可以將原型設計擴展為全尺寸噴射引擎，研究人員正在朝此目標提高設備的效率。

湯博士表示：「我們的研究結果表明，這種靠微波空氣電漿為動力的噴射引擎有望替代傳統的化石燃料噴射引擎。」