离子发动机,太空新姿势上

距年5月19日北京工体（鸟巢）

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今年1月21日，正当我们沉浸在春节即将到来的喜庆氛围之中时，我国的航天工作者默默地发射了一颗小卫星——潇湘一号03星，这颗小卫星的使命也很简单，主要用于验证无线电通信及小型遥感试验，所以自然就被我们忽略了，毕竟现在太空上到处都是中国的卫星，这算什么大新闻，作为一个新时代的中国人，我是见的多了。但其实，我国航天工作者这次是用实际行动告诉了我们什么叫“闷声大发财”，因为这颗潇湘一号03星使用的是离子电推技术，这标志着我国成为继美国后，全球第二个在立方体卫星平台上，开展离子液体微电推进空间实验的国家。那么什么是离子发动机？它的工作机制是怎样的？它有哪些独到的本领？欢迎收看由史上最帅主播斯坦尼斯刘夫斯基主持的大型娱乐节目回到《离子发动机，太空新姿势》。

潇湘一号

年美国发射的“泛美”5号卫星上，首次应用了离子推进器，迅速在世界航天界引起轰动，原来只存在于科幻作品中的离子发动机从想象走向了现实。离子推进器其实是电推进技术的一种，电推进技术，顾名思义，就是用电来推进飞船的技术。目前的航天发动机主要分为两大类，一类是传统的化学发动机，另一类就是新型的电推进装置，通常被称为电推力器。

离子推进器

而电推进装置又可以分为两种类型，一种是离子型，也叫静电型，就是将推进剂电离，形成离子和电子，并将二者分离，之后用静电场来加速离子，使其向后喷出，从而推动飞船前进。另一种是电磁型，电磁型其实也是把推进剂电离后将离子加速喷出，从而推动飞船。不过，这种装置还利用了磁场施加给运动的带电粒子的洛伦兹力。但是洛伦兹力只能让在磁场中运动的带电粒子改变行进方向，不能直接用来加速离子。所以采取间接的方式，比如用磁场控制电子的运动，使得电子在特定的方向积累，形成一个电位差也就是电场，再利用这个电场来加速离子。

离子推进器原理

那么离子型和电磁型的电推力器各有什么特点呢？我们用电磁型的一种——霍尔推力器来与离子型做一个比较。首先我们要了解一个概念，这就是发动机的“比冲”。比冲表示的是发动机的效率，它的定义是：消耗单位质量的推进剂所产生的冲量。发动机比冲高，就代表推进剂的利用效率高。相对来看，离子推力器比冲比较高，但推力比较小。而霍尔推力器正好相反，比冲比较低但推力比较大。另外，离子推力器还存在空间电荷效应问题，也就是电荷的密度不能太高，否则分开的离子与电子就会重新复合。鉴于此，在一定的电压下，栅极上网孔的孔径确定后，通过栅极的离子的流量就存在一个最大值。要增加流量，就要增加孔的数量，栅极的面积也就要随之增大，所以整个装置的尺寸会增大。可见，功率越大，离子推力器的体积就要越大。相比之下，电磁型的优点是，电子和离子混在一起不用分开，所以就可以做得比较小。比如说离子推力器的直径是毫米，那么同样功率的霍尔推力器的直径就只有毫米，面积只有前者的1/4，功率越大，两种推力器的体积相差就越大。

除了以上两种类型之外，还有一种是电热式，这是利用电对化学推进剂进行加热，加热后的推进剂也像通常的化学发动机那样从喷管加速喷出。可见，其本质还是化学推进，所以这种方式也被称为“电热增强式化学推力器”，严格来说，它也不属于我们今天要介绍的通过电场加速粒子的电推进技术。

既然我们已经有了十分成熟的化学推进技术，那么为什么还要再开发电推进技术呢？显然是相比于化学推进，电推进存在着独特的优势，而这个优势就在于效率。

化学推进本质上就是利用化学反应释放的能量，来加热气体并使之高速喷出。常用的化学推进剂的比冲是两三百秒，含能最高的液氢液氧推进剂，比冲最高，可以达到秒以上，燃烧效率达到97%以上，逼近理论值。这里面比冲的单位为什么是“秒”可以说一下，这个秒其实就是用速度除以重力加速度得到的，速度的单位是米/秒，重力加速度的单位是米/秒的平方，二者一除就是秒了。比如说某个化学推力器的排气速度是每秒米，那么除以重力加速度9.8米每秒的平方，最后得到的比冲就是多秒。当然了以上这是工程学上的定义，比冲还有其他的单位，比如定义排气速度的米/秒，以及定义冲量的牛秒每千克等等。

与化学推进不同的是，电推进技术则是将带电粒子用电场加速后喷出，加速的效果可以随着电压的提高而不断提高，理论上可以把离子加速到接近光速，由于利用电场加速可以得到比化学发动机高得多的排气速度，所以电推进的比冲也比化学推进高得多。目前，离子推力器的比冲可以达到三四千秒以上，差不多是化学推进的10倍，也就是说，电推进的效率可以达到化学推进的10倍。

不过，虽然电推进的比冲非常高，但另一方面，它的推力却非常小。其根本原因在于，所有的发动机都要服从一个很重要的关系，那就是推力乘以比冲再除以2，就近似等于输入功率。所以在输入功率一定的情况下，比冲和推力二者是不可兼得的。比冲越高、推力就越小。我们在电影中经常会看到，冒着蓝光的离子发动机把巨大的飞船从地面托举到太空，事实上这是无法实现的。

所以，离子推力器虽然效率很高，但却不可能像推力巨大的化学火箭那样用于飞船的发射。现在用于发射的化学火箭的功率是兆瓦级的，但即便是这么大的输入功率，对离子推力器来说，却只能产生几十牛的推力。而一艘载人飞船至少要有数吨重，离子推力器的推力远远不足以抵消它所受到的重力。

另一方面，现在1千瓦级，也就是一台微波炉功率大小的离子推力器，口径要做到毫米，兆瓦级的口径就要达到2米，如果要能用于发射，口径就会大到难以想象，如此一来，一个离子发动机本身就会远远超过飞船的重量，硕大的发动机搭配着小小的飞船，这就不是杀鸡用牛刀了，说不定就是用原子弹来杀鸡了。

事实上，目前离子推力器的推力小的超乎你的想象，只有区区毫牛级，也就是千分之几牛顿。比如说，NASA发射的黎明号小行星探测器，它所使用的氙离子推力器的推力大约是90毫牛，相当于能在地面上推动不到10克的物体，10克什么概念，10张块钱是11.5克。也就是说，这个电推力器的推力，就和我们用嘴轻轻吹气差不多，而且还是温柔的呵气如兰的小妹妹吹的气，而不是黄博士吹的气。这样的推力简直是微不足道，连一个小风扇都比不上，别说发射飞船了，它就连自己都推不动。

黎明号

那么既然电推进如此弱鸡，人类为什么要开发它呢？它在太空中又能发挥什么作用呢？答案是，它是在用时间换速度。由于电推进的效率很高、推进剂消耗得很慢，所以携带较少的推进剂就可以长时间工作。在微重力、没有空气阻力的宇宙空间中，以这种愚公移山般的方式坚持不懈地逐渐持续加速，日积月累，最终就可以达到非常惊人的效果。

还是以黎明号为例。在空间环境中，离子推进器将黎明号的速度从0加速到区区时速10公里，就需要漫长的4天时间。而现在的小轿车，从0加速到时速百公里，一般10秒也就够了，在这一点上离子推进器是完败。但是，与很短时间内就会将推进剂消耗殆尽的化学发动机不同，黎明号上的离子推力器可以连续工作数年，不紧不慢地慢慢加速。1年后，黎明号的时速就达到了公里，也就是秒速2.5公里，而到项目结束时，黎明号可以达到时速公里，即秒速11千米，这就不知道高到哪里去了。正是得益于这样的推进技术，黎明号才可以进入灶神星的环绕轨道考察14个月之后，还能全身而退飞离灶神星，继续前往谷神星并进入它的环绕轨道，实现了人类历史上首次对2个天体的连续环绕探测。而如果使用传统的化学推进的话，这是不可能实现的。

有人估算过，载人飞船飞往火星，如果用传统的化学推进方式，可能需要飞行6个月，而如果使用“可变比冲磁等离子体火箭”这种先进的电推进技术的话，可能只需要不到40天。此外，对于同样的航天任务来说，用电推进可以少携带很多推进剂，一方面航天器的重量得以减轻，更有利于实现加速，另一方面也可以携带更多的仪器设备，甚至把黄博士塞进去也未尝不可。

那么什么样的物质可以作为离子推力器的推进剂呢？电推进技术具体在哪些方面会大显身手呢？请看下集。