不用燃料的航空发动机

大家都知道，现在的所有航空发动机的工作，都必供给以燃料。要想它工作，又不给它“吃”的，是很难想象的。正因如此，又由于飞行器不能带很多“吃”的东西，这就使得现代飞行器不能长期连续的飞行。于是有人就想，不用燃料能使发动机工作那又多好？看来，这样的想法是不现实的。然而这种发动机的设计方案也确是存在的。这里并不是说要制成不存在的所谓“永动机”，而是根据空间的物理现象而提出的。下面就是这类发动机的几种方案。

电离层发动机

大家都知道，在地球的周围包围着一层空气的外壳，根据长期的研究和实验证明，它的密度、压力、温度及空气分子的性能等随高度不同而有很大的变化。比如说，在我们所接触的空气中的氧、氮均是由两个原子所组成的分子，但在一百公里的高空，这些分子分裂为原子。也就是离解作用。

现在人们一般把大气层分为三层，即对流层，同温层及电离层。

在电离层中，气体大部分成原子状态，当这些游离的原子结合成分子时，放出大量的能量。基于这一原理，我们就可以用这种能量使发动机内的空气温度大大提高。这也就说明，如果能制成使原子结合成分子的发动机，发动机的工作就可以不用燃料。

这里提出这种新型发动机的方案，它是冲压式的。用一种特殊的化学接触剂引起原子变成分子的反应，并使这种反应加速进行。把这种接触剂放在冲压发动机的燃烧室中，当气体从发动机扩散器进入燃烧室时，气体便在接触剂的作用下进行原子变成分子的反应，同时放出大量的能量。气体的温度与压力便急剧的增高，于是便以高速从发动机喷口排出而产生推力。

致于接触剂本身是不参加反应的，而只是促使反应的进行，因此它本身几乎没有消耗，能长期的起作用。根据许多实验证明，黄金是良好的接触剂。

电离层燃料是取之不尽用之不竭的，飞机上装上这种发动机将可作无限长时的飞行。但需要指出的，必须事先用其它动力装置把飞机送到电离层之后，才能使用新型的发动机。因此，电离层飞机的动力装置不可能是单一的，而必须与其它带有燃料的发动机组成复合式的动力装置。

离子火箭发动机

当人类进入宇宙航行时，作为宇宙航行的交通工具——宇宙飞船，必须能够连续的、长期的工作，也就是说，需要有燃料能长期供应飞船发动机的工作。怎样来达到这一要求呢？如果使用带燃料发动机，即使通过减少阻力的办法来减少燃料的消耗，以达到长期工作，也是不可能的。因为携带燃料总是有限的，而飞船所消耗的燃料量又是很大的。

在星际空间内，由于宇宙物质很少，飞船所碰到的阻力亦很小。因此，采用推力低些，而能达到长期工作的发动机也是值得的。离子火箭发动机就具有这种特性。

这种发动机的构造原理很简单，方案甚多。

1.带工质的发动机

一种是在专门的电源作用下下，产生带电的粒子——离子，它们与电子一同出现。但是，以后离子和电子又分开，分别的进入各自的加速系统，使离子流未从发动机喷口中喷出前，就具有很高的速度。当离子流以高速喷出后，产生巨大的推力，使飞行器在宇宙空间运动(如图1上图)。

另外还有一种以“等离子区”作为喷射流的离子发动机。所谓“等离子区”就是一种气体状态物。因此有人把它称为等离子气体。它是用某些激励的作用(如电子冲击、高速离子冲击、分子或原子间的相互碰撞等)使电离气体的分子或原子成为带电粒子(正离子和电子)的气体。这些带电粒子各作独立的热振动，并在一定的极小范围内具有电的、微弱的相互作用力，但对整体来说，仍呈中性。这种“等离子区”在我们周围生活中都存在，如萤光灯和真空管内的极低压的气体，电焊机产生的电弧气体都是“等离子区”。

那么，发动机中所带的工作液体在电弧的高温作用下，就可产生这种“等离子区”。使它进入电磁力加速系统加速之后，就获得高速的“等离子区”，从发动机喷口喷出就产生反作用力(如图1下图)。

上述两种离子火箭，都是改变从地球上携带工质而获得能量，故其数量的多寡，决定了发动机的工作时间。显然，这种发动机还不是最理想，其工质仍是有限的。也就是说续航时间仍有限。现在又提出一种电磁发动机，其工质可直接取自空间。

2.不带工质的发动机

前面已介绍了利用电离层气体作能源来工作的冲压空气喷气发动机。这种方案在电离层的更上空或其下面都不能工作。

但是，在大气的更上空，除电离层之外，也发生连续不断的电离空气分子和原子，这些分子和原子失去部分电子后而带有电荷。于是，整个空气大洋为我们准备着取之不尽的电离的工质。而且用这种工质工作，就不需要离解室，可以大大地简化离子发动机装置(图2上图)，因为离解室本身就是带有电力装备的复杂机构。这里问题在于如何取得这种工质，并使它形成高速射流。

这种新型发动机的形式，将与一般冲压发动机相似，唯不同的，仅燃烧室为装有高压电极的专门加速室所代替。电离的空气在电极之间的空处迅速的加速，并以很大的速度喷出，而产生反作用力。

特别应该提到的，以上述原理工作的冲压离子喷气发动机，不仅可以在电离层的上层工作，对于电离层下面的大气范围内(大气层中的方案如图2下图所示)或没有大气的星际空间都是适合的。大家都知道，宇宙是无限的，但在这无限的空间内，仍存在着宇宙物质——极稀薄的氢离子、宇宙尘。这些物质亦可用来作为火箭的工质。

从方案图中可以看出，这些发动机中都有磁场或电极加速系统，有的还有离解室，也就是说，都需要有电力的设备，而且要使离子的速度很高，使用普通的电力装置是不可能的。因此，尽管原理和方案都有了，但是，要在火箭技术上成功的利用它们及得到更大的推力，必须要解决电源装置的重量及其过程的控制问题，以及进一步研究出更完善的热电装置。

另外，由于热力装置及电力装置的限制，离子火箭的推力很低，如果在整个飞行过程中(包括起飞和着陆)都用它是不可能的。对于星际飞行来说，必须要把这种火箭送入轨道之后，也就是必须用其它方法克服地球引力场之后，才能成功地用于星际飞船上。同样，如果要在行星上着陆也要用其它类型的发动机，比如使用化学燃料发动机。

但是这种发动机还是有其美好的前途。可以预料，以这种取之不尽的能源作为动力的宇宙飞船，飞向更远的星际世界，在不很久的将来是会实现的。

另外，如果有可以进行电离大量气体的有效方法，那么，冲压离子喷气发动机可以用在稠密大气中飞行的一般飞机上。这将是一般航空事业上的巨大革新。那时，人们只要有一架能电离大气的飞行机器，就可以在任何时候飞行到地球上的任何地方。