磁化帆

磁帆是一种提出的航天器推进方法，它使用静磁场来偏转太阳或恒星辐射的带电粒子等离子风，从而传递动量来加速或减速航天器。 大多数方法几乎不需要推进剂，因此是场推进的一种形式。 磁帆也可以推向行星电离层或磁层。 重要的用例是：来自太阳风的适度力量可持续很长一段时间； 星际介质中的减速和目标恒星的等离子风在星际旅行后以相对论速度通过其他方式实现； 行星电离层中的有效减速。 太阳风、行星电离层和星际介质的等离子体特性以及磁帆设计的细节决定了可实现的性能； 例如，推力、所需的功率和质量。

达纳·安德鲁斯 (Dana Andrews) 和罗伯特·祖布林 (Robert Zubrin) 于 1988 年首次提出磁帆概念。安德鲁斯正在研究使用磁勺收集星际物质作为核电离子驱动航天器的推进剂，使该航天器能够以类似于 Bussard 冲压发动机的方式运行 . Andrews 请 Zubrin 帮助计算磁勺对行星际介质的阻力，结果证明它比离子驱动推力大得多。 该系统的离子驱动组件被丢弃，使用磁勺作为磁帆或 Magsail (MS) 的概念诞生了。 1988 年发表的星际帆帆分析、1989 年的行星际航行、1991 年的行星轨道推进和 2000 年的详细设计。弗里兰在 2015 年对伊卡洛斯项目进行了进一步分析，该项目使用了更精确的磁场模型，并表明安德鲁斯 和 Zubrin 的阻力（推力）结果乐观了 3.1 2016 年，Gros 发表了在星际介质中使用磁帆减速的结果。 2017 年，Crowl 记录了一项从太阳附近开始并前往第九大行星的任务的分析。 磁帆的另一个任务概况是日心转移，如 Quarta 在 2013 年、Bassetto 在 2019 年和 Perakis 在 2020 年所描述的那样。

磁帆设计的一个缺点是需要一个重达 100 吨（100,000 千克）的大型（50-100 公里半径）超导回路。 2000 年，Winglee 提出了一种微型磁层等离子体推进 (M2P2) 设计，该设计将低能量等离子体注入质量小得多且需要低功率的小得多的线圈中。 模拟预测了相对于质量和所需功率的令人印象深刻的性能，一个主要因素是与经典的 1 / r 3 {\textstyle 1/r{3 相比，声称的 1 / r {\displaystyle 1/r} 磁场衰减率 }} 真空中磁偶极子的衰减率。 许多批评提出了问题：假设的磁场衰减率是乐观的并且推力也被高估了，一项分析表明预测的推力超过十个数量级乐观，因为大部分太阳风动量被传递到磁尾 和通过磁层顶而不是航天器的电流泄漏，并且没有考虑磁层外区域的磁通量守恒。

从 2003 年开始，Funaki 和其他人与日本大学合作在 JAXA 发表了一系列理论、模拟和实验研究，以解决 M2P2 批评中的一些问题，并将他们的方法命名为 MagnetoPlasma Sail (MPS)。 2011 年，Funaki 和 Yamakawa 撰写了一本书中的一章，该书是磁帆理论和概念的良好参考。 MPS 的研究成果发表了许多论文，促进了对磁帆物理原理的理解。

Funaki 和其他人于 2013 年发表的结果发现，当注入的等离子体的密度和速度低于 M2P2 中考虑的密度和速度时，性能最佳，在 M2P2 中离子漂移产生赤道环电流，增加了线圈的磁矩，模拟表明实现了推力 与 MHD 模型磁帆相比，较小磁层的增益约为 10。 调查继续报告在实验和数值上增加了推力，考虑使用磁动力推进器（在日本又名 MPD 弧射流）、多个天线线圈和多极 MPD 推进器。

华盛顿大学的 John Slough 在 2004 年和 2006 年记录了美国宇航局高级概念研究所 (NIAC) 资助的研究、开发和实验，以使用称为等离子磁铁的设计为磁帆生成静态磁偶极子的更有效方法 （下午）。 该设计使用一对由交流电供电的垂直方向的小线圈来产生以一定频率运行的旋转磁场 (RMF)。