用于清洁燃烧射流的微波推进器

我通常会带着一定程度的愤世嫉俗来对待关于替代推进器主题的论文。但我们终于得到了一项关于微波推进器的研究，它不依赖于不可能的物理学。取而代之的是，它使用了一个普通的老式等离子推进器。

等离子体推进器通常被认为是太空中的一种推进手段，但现在已经有一种被设计成在大气条件下运行。据相关研究人员称，这是一种空气等离子体推进器，有可能产生与商用喷气发动机相同的推力。

喷气发动机只是内燃机的一种形式：将燃料和空气结合起来，把活生生的地狱从混合物中压缩出来。由此产生的点火迅速加热气体(其中大部分是氮气，不会燃烧)，迫使其爆炸膨胀。快速膨胀可以用来为产生推力的风扇提供动力，也可以直接用来提供推力。但是，关键的一点是，气体需要迅速加热到非常高的温度，这样它才能膨胀。喷气发动机的燃料只是热量的能源。

蒸汽时代依赖于同样的概念，现代汽轮机也是如此。把水加热到很热的气体，然后让它膨胀做功。同样，关键是把所有的能量都放入气体中，这样它才能迅速膨胀。不过，蒸汽机是一个外部内燃机，在水被送到工作的地方之前，燃烧会加热水。

现在，一组研究人员已经展示了一种外/内等离子内燃机。其基本思想是空气被电离成等离子体，等离子体被迅速加热并允许膨胀以产生推力。

为此，研究人员使用磁控管产生功率相对较高的微波(约1kW)。微波沿着波导(矩形金属管)传播，波导逐渐变薄，然后再次膨胀(见图)。一根石英管放在波导最窄处的一个洞里。空气被强迫通过石英管，通过一小段波导，然后从石英管的另一端流出。

在管子的入口处，空气通过受到很高磁场影响的电极。这会撕裂一些原子(主要是氮和氧)的电子，形成低温、低压的等离子体。在管子入口处来自鼓风机的气压将等离子体进一步推向管子上方，从而使其进入波导。

在波导中，等离子体中的带电粒子在快速加热的同时，随着微波场的作用开始振荡。离子、原子和电子频繁地相互碰撞，将能量从离子和电子扩散到中性原子，迅速加热等离子体。因此，研究人员声称，等离子体迅速加热到1000摄氏度以上。

当热气体离开波导，产生推力时，加热的等离子体会产生类似火炬的火焰。测量气体压力(推力)原来是很困难的。大多数压力传感器和气压计在放入类似喷灯的东西时往往会发出抱怨。

所以研究人员变得很有创意。他们用一个中空的球体封闭了石英管，球体上有一个小孔。如果等离子体推力足够大，就会使球体在管子顶部嘎嘎作响。通过逐渐增加球体的质量，它最终会落在管子上并停止嘎嘎作响。研究人员通过将气体与重力产生的力进行平衡，估计了气体产生的总力。我非常肯定有更好的方法来测量推力(仍然保持低技术水平)，但只要研究人员保持一致，所有测量的系统偏移量都将是相同的。

最后，团队能够证明他们得到的推力约为28N/kW，这似乎与现代涡扇产生的推力相当接近(据我粗略计算，现代涡扇产生的推力约为15N/kW)。推力效率的修正仅仅是由于鼓风机的气流造成的推力。

问题是规模问题。在研究人员测试的空气流速(约1m3/h)和微波功率(不到1kW)下，一切都很好地缩放。但空气流量大约比全尺寸发动机的流量低15000倍。推力的比例也必须达到大约四个数量级(这意味着动力也是如此)。推算超过四个数量级的线性趋势是让你在生活中失望的好方法。

我也相信警示信号已经在报纸上出现了。如果你仔细看，会发现有一些缺失的数据点。例如，在最高的微波功率下，只测试较低的流量，而在较低的微波功率下，测试所有的流量。这似乎是一个奇怪的遗漏。我怀疑等离子体在高流量和高功率下不稳定。

如果你认为这项工作可能有助于减轻发动机重量，我就不这么肯定了。如果等离子推进器成为涡扇发动机的一部分，我怀疑它会更重。在非旁路配置中，它可能会更轻。尽管如此，这仍然是一项非常酷的工作，我希望它能奏效。