Question

离子发动机研究取得新突破，人类冲出太阳系还会远吗？

Answer 1

随着太空探测技术的不断发展，人类探测器飞出地球、来到更远区域对其它天体和星际空间，进行深空探测的区域范围不断扩大。比如，上世纪70年代发射的旅行者1号，已经在太阳系内飞行了40多年，目前与地球的距离已经达到210多亿公里，仍以每秒17公里的速度向太阳系外缘移动，成为现在飞得最远的探测器。

但是，从目前人类发射探测器的方式来看，还是以液体或者固体燃料作为能源驱动，属于化学能推进模式，无论是能量的转化效率，还是依赖气体介质提供推力方面，都存在着“天花板”，无疑将影响着空间探测器的初始速度，使其仍然保持在较低的水平，所以那些深空探测器的运行速度，即使运用“引力弹弓”效应来加速，也才能达到勉强飞出太阳系的第三宇宙速度。对于深空探测来说，这种速度肯定是“龟速”了，要不怎么旅行者1号和2号几十年过去了，还没有飞出太阳系呢。因此，速度问题是限制我们深入高效进行太空 探索 的瓶颈。

离子发动机的运行模式，就是改变传统化学能源在燃烧过程中，将化学能转化为热能，继而加热空气，形成喷射燃气流来产生推力这种模式，而是选择改用太阳能或者核能，将其转化为电能，然后在特殊的结构设计和装置下，形成电磁场，工作介质（气体或者其它分子）发生电离，形成等离子体，在电磁场作用下产生推力。

离子发动机的应用，其实可以追溯到上世纪60年代，那个时候发射的人造卫星，部分已经安装上了离子发动机，只不过是作为备用（辅助）发动机，主要用于轨道维持以及卫星的姿态调整。第一个将离子发动机作为主发动机的探测器，是美国于1998年发射的深空1号探测器，用于探测遥远的 小行星Braille和彗星Borrelly。

离子发动机的主要工作原理，可以简要概括如下：首先通过轰击电子的方式，将喷出的气体实现离子化；然后通过加热和电场加速，将电子输送至发动机的放电室，继续对放电室施加磁场，然后在放电室中加入气体推进剂（比如氙气等），高速运动的电子会有一定的几率，将氙气分子中的电子“击出”，然后氙的原子核就会发生电离，带正电荷，而且运动速度非常快。

此后，在放电室之后，有一个增压装置－高压栅极，通过它制造出静电场，使上面生成的等离子体受到很强的拉力，然后向着高压栅极方向进一步加速，并且在此处聚集，最终形成等离子束，朝着飞船尾部喷出，经加速后的等离子体的运动速度，将达到每秒30公里以上（ 深空1号探测器当时的速度 ），从外观上看，等离子束带刺的是淡蓝色的火焰，为飞行器的加速产生充沛的推力。

从优点上看，离子发动机依靠的是太阳能产生的电能，或者通过电能产生的静电场和电磁场来提供反作用力而推进的，与传统的化学燃料推进模式相比，其能量来源（太阳能或者核能）更为充沛，能量转化率更高，对工作介质的要求不太高，因此可以为航天器有效载荷腾出更多的空间。

另外，还有一个非常明显的优势，那就是离子发动机的比冲量更大，也就是说单位数量推进剂的条件下，所产生的最终冲量更多，这也就意味着在一定数量的“燃料”下，使用离子发动机，能维持航天器以一定的加速度行进的时间就越长。以 深空1号探测器为例，其发动机比冲量达到了3300秒，这要比传统化学火箭发动机的400秒高出了很多倍。

因此，虽然化学火箭拥有更高的推重比，发射的起步速度较快，但是后程明显动力不足，不能长时间保持这种推力，而离子发动机虽然推力较小，但只要能起步，那么后程的“耐力”会很强大，在较长（几个月甚至几年）的时间内，可以获得更高的推进速度，从而实现“后来居上”，这对于较远距离的深空探测来说意义重大。

当然，离子发动机从目前来看，还有着一些缺点。比如，在高速运行时等离子体对发动机材料的侵蚀问题，这一问题几十年来，科学家们都在试图寻找更为安全和有效的发动机材料、或者工程性措施来减少侵蚀的程度。

而对于离子发动机最为核心的引擎来说，也存在着一个短期内似乎不能解决的问题，那就是现有技术条件下推重比太小。去年俄罗斯测试 id -200 kr离子发动机，成功实现了3千瓦时的推燃比，不过，这个推重比显然远远不能满足太空探测器高速运行的需要。即使推燃比达到未来设计的75千瓦时的标准，那么在地球上也仅能托举一张纸。

不过，通过世界各国科学家长期的努力，已经在理论上证实了可以长期实现离子驱动的可能性，下一步的重点将是如何创造出更为高效、更为安全、推举力更大的离子引擎。包括我国在内的一些国家，已经发明并成功实现了新的介质电离、离子加热以及几何磁场保护等方法，在现有基础上将离子发动机的单位燃料推力，增加了50%。美国则另辟蹊径，将等离子电视板技术，应用到离子引擎研发上来，并且取得了突破，计划于2022年下半年利用改进后的离子引擎，在火星与木星之间的小行星带上发射探测器。

相信通过持续的努力，太阳系“牢笼”终究会被我们打破，我们迎来的将是更为浩瀚、更为壮观、更为神秘的星际旅行。而离子发动机的发展，只是我们能源利用领域的一个小小的进步，是我们迈出太阳系的第一个台阶。