未来用于太空航行中的7种火箭推进器

七种火箭推进系统（结合大量现代科技推衍而出）

1.化学火箭推进系统

这是目前普遍使用的推进系统，算是十分原始的推进系统。其以化学物质间的化学反应来提供主要动力。以目前的技术，化学火箭的比冲在200秒到480秒之间，喷气速度Vc大约在3~5km/s左右。化学推进系统除了化学能的能量转换效率之外，还有工程学上的热度与燃烧室压力限制等问题存在。即使未来的化学推进剂的改良达到巅峰，其Vc也不太可能超过10km/s的水平，因此其前景有限。若装备Vc约为5km/s之化学火箭推进系统，则标准太空船所获得的ΔV为477m/s。

化学火箭的优点是和其它火箭相比，引擎重量非常轻（较重的部份是燃料的重量），并有极高的推力，可推送大量载荷抗重力上升。缺点就是这个477m/s的ΔV与其它形式的火箭比起来实在太小了。化学火箭理想喷气值约为5000m/s左右，目前的化学火箭工艺技术至少在喷气速度方面已经达到极限，进一步的发展主要是在系统减重，减少价格与寻找更有效率的新燃料方面。不过如前所述，所能增加的效果也是极为有限的。

2.核分裂式推进系统之一，核分裂热推进引擎

这是以核分裂作动力源的推进系统。其燃料主要是铀235或是钸239。就能量利用方式的不同可以分几个支系。以火箭系统的支系而言，是以核分裂燃料产生热，加热燃烧室中的工作流质（即推进剂）使其喷出。通常采用分子量最低的氢作为获得反作用力的工作流质以求得最高的喷气速度。美国在六零年代曾经进行过一项称之为「核子引擎火箭推进系统应用」的研究计画，（NuclearEngineforRocketVehicle

Applications,NERVA）测试过这类核子火箭的可能性。

NERVA没有实际升空测试，而是把引擎放在地上，喷气口朝天喷射的大规模引擎测试计画。这个计画中建造了十数部引擎，密集测试了数十次。其中测试机组中的最高出力约为1130MW，比冲约为850秒，推力从一万磅到二十五万磅的都有。最高记录曾以全功率连续运转28分钟。而且这些只是以60年代的技术作出来的测试用引擎，便有90年代最先进化学火箭两倍以上的比冲量。以这个测试用引擎的能力，约可使标准太空船达到794m/sec的ΔV。而此种引擎的理论理论比冲值约在750秒到1200秒之间。

NERVA研究计画后来在80年代美国政府删减火星登陆计画预算时中止，所有设备皆被弃置，但宝贵的测试资料与经验都留下来了。如果需要的话，这种引擎是能在最短时间发展出来的优秀次代火箭引擎。和尚未成功的受控核融合火箭相比，这种核分裂火箭用的是已经成熟，相当实际的技术，只要投下经费，十年内便可建造出可靠的引擎装到太空船上。

另外一方面，即使NERVA计画结束，大量理论方面的基础研究并未跟著停止。就核分裂热推进系统而言，理论上具有另一种较为优秀的引擎存在，即气态核心反应炉。这是相对于NERVA计画中使用的固态（石墨）核心反应炉而言，以铀电浆与氢混和的气态炉心反应炉。其比冲潜力在5000秒~10000秒之间。这类引擎的困难与受控核融合炉有点类似，皆为炉心高温气体的处理相当麻烦。不过由于其并非欲进行核融合，气体温度仅约摄氏数万度，远较融合炉的数千万到上亿度为低，因而难度低了许多。若取理论平均值7000秒比冲来计算，则使用这类系统的标准太空船之速度可达到6538m/sec。但这类系统，包含固态炉心的NERVA计画都有个相似的缺点，即其排气具有放射性，因此不能在地球上使用。在太空中则无妨，因放射性气体会很快扩散开来。核分裂系统的理想喷气值约为11200km/s。

3.核分裂式推进系统之二，核分裂电推进引擎

这种系统简单的来说，就是用核电厂发电，以电力来加速发射带电粒子来获得推力。当然这个核电厂的体积和重量必须缩小到能够装进太空船中才行。而小型核电厂已经算是相当成熟的技术了，例如目前最小的核子潜舰排水量才两千吨左右，因此基本上此类系统问题并不大。而发射的带电粒子则可从电子到各式离子与电浆等范围，视需求而有不同。基本上为求得较高的推力与较快的加速度，工作流质以质量较重的金属离子或电浆为主。若是要求效率的话则就以发射较轻的粒子如氢离子来得到较高的喷射速度。

要注意的问题是需保持太空船的电中性，若是一直制造并发射正离子的话，太空船就会累积负电荷，因此得在离子喷射口中一并喷射电子。若是用电浆推进系统的话则无此问题，电浆本身就是电中性的气体。这类电推进系统的比冲非常大，通常约在1000秒~10000秒之间，这是以光电池等一般动力输出得到的比冲值。但其潜力不止于此，若是能以核分裂动力提供源源不绝的能源来加速很轻带电粒子，则具有把比冲提高到100000秒的潜力。以具有100000秒比冲的引擎来计算，标准太空船约可达到93404m/sec的速度。

这类系统的缺点是推力非常低，其为了效率必须使粒子加到极高的速度喷射，但粒子的质量非常小，单位时间内能喷射的粒子质量有限因此获得的推力很低。故采用此种系统的太空船加速度会非常低，一般大约在10的负5次方个G左右。因此必须持续数周到数月的加速才能达到设计上的最高速度，同时也不可能推动太空船从星球表面起飞。

4.核融合式推进系统之一，受控核融合推进系统

这是把前面的核分裂热推力引擎的能量来源改成核融合，基本原理是一样的。基本上较受到注意的反应方程序有以下这几个：

D+D－>T+p+3.25MeV

D+D－>He3+n+4.0MeV

D+T－>He4+n+17.6MeV

D+He3－>He4+p+18.3MeV

四个方程序中最有效率的是第四个氘与氦三融合的反应，且此一反应不产生中子，几乎毫无污染，安全性非常高。但地球上不产氦三，只在核子炉中有少量生产，因此价格较高。月球表面氦三倒是很多，但必须建立开采能量。而第一个两个氘之间的融合则原料比较便宜，氘可以从海水中提炼出来，不过这个反应效率较低。第二第三个反应则会产生中子，会有较大的中子射线屏蔽的的问题。

使用受控核融合引擎，则随著不同的需求会有不同的比冲值，理论比冲值潜力在1万秒到200万秒之间。比冲值的差异在于混入气体的调整。简单的来说，如果在融合炉开个出口，让氘与氦三反应产生的电浆慢慢泄漏出来，用融合反应产生的能量将这些电浆喷射出去，（也有直接用反应炉开洞喷射的方法），就可以得到秒速两万公里的极高的喷气速度，因此而能有约200万秒的比冲值。但是基于与电推动系统相同的道理，电浆的单位流量质量非常小，所以虽然喷气速度高，推力却不高。但如果在从融合炉排出来的微量电浆里加入氢混和之后再一并排出去，则由于混入氢之后喷射气体的质量提高了，使喷气速度Vc下降，比冲值也跟著下降，但推力却可以大幅增加。将氦三－氘反应电浆与氢以1:99的比例混和，即喷射排气中含有99%的氢的时候，喷气速度会降成秒速一百公里，比冲值约为10000左右。

故此种受控核融合推进系统可以用调整氢气导入量来改变推力，在一些需要大推力如超越重力梯度的星球起飞或是紧急加速时非常方便。但这就会造成短时间内效率的下降，会稍微降低太空船的最终速度。附带一提的是，第四个公式的氘和氦三反应产生的是氦四，氦四是一种惰性气体，不含辐射线，所以第四个公式反应之引擎加上氢气喷射的标准太空船可以直接从地面起飞，不会有辐射污染的问题。唯一的问题是这种引擎的出力太大，起降场地面积要很大，且清场得清的干净一点，任何太靠近的人都会倒足大霉。以两百万秒的比冲值，秒速两万公里的喷气速度来算，则约可使标准太空船达到1906km/sec的速度值。

5.核融合式推进系统之二，核融合脉冲推进系统（最长用的）

虽然受控核融合技术尚未完成，但目前也有可以立刻使用的核融合推进方法，就是引爆氢弹来推动太空船。这种方法被称为核融合脉冲推进或是爆震推进。基本上的设计是这个样子的，以数吨到数百吨TNT威力等级的小威力氢弹做为燃料，作成微型氢弹燃料球，每个燃料球直径大约只有一两公分。然后在内藏或外部的燃烧室中央以高能聚焦电子束或是雷射束来点燃这些微氢弹来诱发爆缩式的核融合反应。这些氢弹爆炸后将会产生高温高压电浆，然后与混和的氢从燃烧室喷射出去获得推力。

这种系统构造惊人的简单，推进速度可以达到953公里/秒。理想速度可以达到1906公里/秒。燃烧室强度不需要很大，因为每个氢弹球的威力是可以事先调整的，只有数吨TNT甚至是只有公斤级TNT等级威力的微氢弹也是可以作得出来的。以目前的技术，完全可以做出可以承受此种等级爆炸威力的燃烧室，当然燃烧室外层还是要装上超导线圈，弄出磁场来减少电浆对燃烧室壁的侵蚀，同时巧妙灌入的氢气也可以有效保护燃烧室壁。

即使是小威力的微氢弹，如果以每秒数十枚到数百枚的流量射入燃烧室内引爆便可获得相当高的总推力，且此推力可由调整氢弹流量而调整。这可以用简单的机车二行程引擎来想象，在二行程引擎中也是用混和油气的爆炸来提供动力，同时用调整油气流量来得到不同的加速度。驾驶员只要转动油门便可以加速。

这种系统除了氢弹燃料球流量外，与受控核融合引擎相同的也可以经由导入燃烧室混和的氢气数量来改变推力。这类推进系统已经经由成功的试飞实验证实，不过用的燃料不是氢弹而是炸药。刚开始实验时那些科学家曾不小心把测试火箭炸成碎片，不过后来经过一些调整，成功的把小火箭发射到数十公里的高空。由于是用连续的爆炸脉冲推动火箭，所以称这类推进系统为脉冲式推进或爆震式推进。

这类系统的比冲潜力约在一万秒到一百万秒之间。还有系统构造极为简单，造价非常低的优点。缺点是比起受控融合炉的液态燃料储存方式，固态的燃料球在贮存与运输上都会比较不方便，占的空间会相对会大。但是在制造上相当简单，所以只要有足够的补给舰进行运输，是最经济最省时间的推进燃料。

就核融合而言，当量是没有限制的。大到太阳等级的核融合反应，小到只有几毫克电浆的融合反应都没问题。所以可以把单次爆炸威力减低到燃烧室可以承受的地步，再用多次爆炸来维持推力。

6.正反物质的对消灭－－光子火箭系统（主要在外太空的舰船使用）

此种推进系统乃是火箭系统理论上的极致。以正反物质对消灭来获得能量的光子火箭，可以极限速度光速来喷射光子或光波获得推力。因此其理论喷气速度达到上限，为每秒三十万公里，比冲值上限约为三千万秒。装备这个系统的标准太空船可获得约28600公里/秒的速度，远高于前述任何推进系统。但同样的，光子的等效质量非常低，因而推力会很低。想增加推力唯有靠老方法，于对消灭反应炉中导入氢气，代价就是降低比冲值。

不过与核融合反应炉不同的是在对消灭火箭中这是两个不同的反应过程，需要用不同的系统。就核融合炉而言，进行反应后产生能量，并融合成氦四的电浆气体仍是以电浆形式存在，其以热能的方式提供能量，之后可以直接将这些融合后的电浆气体以热能喷射或以电推进的方式推动喷射，是否加入氢气并不影响这个过程。但在正反物质对消灭中，燃料将完全消灭，剩下来的是以光子型态的能量，使用反射镜将这些光子集中成一束单向发射来进行光子推进获得推力，这就使得此类系统必须以光子这种极低等效质量的粒子为唯一的推进剂。若是想用导入氢气增加推力的方法，则必须回到类似于融合炉之类的密封燃烧室设计，只不过在其中以正反物质歼灭来取代核融合反应，但这种设计将无法进行最高效率的光子推进。换句话说，高效率光子推进系统和可变推力系统是两种不兼容的系统，必须独立存在。

也就是说若是太空船想以反物质燃料同时获得高效率推进与大幅推力调整的能力，则必须同时装备这两种引擎。当然两者可共享同样的反物质燃料槽与液氢槽，但液氢槽容量将远比反物质储量大，其中将只有少部份用于对消灭反应，绝大部份则是供给推力调整引擎作为被喷射出去的推进剂。这实际上已经可以算是一种混合式推进系统了。光子火箭的缺点是推力太低（不考虑可变推力系统的话），反射高能光子（γ射线）的反射镜制作极为困难，还有反物质燃料十分昂贵。

就燃料而言反物质是可以人工制造的，而且不需要任何特殊原料。物质和反物质实际上便是冻结了的能量，因此可将能量转换成反物质。目前在回旋加速器进行高能粒子碰撞中已可产生并收集反粒子，但由于所需能量太高因而产量极低。以目前的技术水平，反物质的生产成本为每毫克三千亿美金，这当然是不可能被接受的价格。但由于反物质的能量转换效率是理论上最高的一种，具有极高的应用价值，因而将来反物质的生产可会能成为一个大规模的产业。构想中的方法是，在水星以内的环日轨道上建造超大型的回旋加速器，并配置大量太阳能光电板与太阳热电力的方式发电，以太阳的巨大的能量来生产反物质。整个系统的建造成本会很高，不过维护*作成本就会很低了，原料则完全不需要，只要太阳没有停止发光就成了。

7.太阳能火箭的最新发展，太阳能电推进系统

这是与核能电推进系统完全相同的系统，只不过动力源改成太阳能。此类系统是目前人类的技术结晶，且已有现货。已于98年10月24日发射第一艘使用此类系统的太空船，即DeepSpace1深太空一号。将来的行星探测太空船大部分都会装上此类系统。它使用新型更轻更薄的高效能太阳能板，发电效率远比旧式太阳能板高，故可以让离子引擎在远地行星如海王星，冥王星一带有效运作。将来的大型太空船也可以装上此类系统。这可以说是将来太空船的主要推进系统，因为可以直接由日光中取得能量，故效率在此类推进系统中排名第一。自然在需要更高加速度与远离太阳的地方需要与其它推进系统如核融合系统配合。核能电推进系统的推进器与太阳能电推进系统是完全相同的，所以可以使用同样的推进器，同时装设太阳能与核能两种动力源，这也可以减低系统的重量。