從科幻走進現實的發動機——離子推進器

本文首發於《航空知識》雜誌2018年5月刊80到83頁。作者也是我。雖然是航天相關內容，但是還是不要臉的發在了我航空動力的專欄里。

伴隨著人類對太空探索的野心增長，傳統化學火箭發動機漸漸暴露出其局限性。為了滿足新太空項目對動力提出的越來越高的要求，工程師必須提供新的解決方案，把我們的探測器以更快的速度送到更遠的太空中，以及更精確的控制其位置與姿態。

火箭發動機的工作原理就是把推進劑噴射出去，形成推力。火箭的推進效率也就是比沖定義為：每一公斤燃料產生一公斤推力的持續時間，單位為秒。而比沖跟噴氣速度成線性相關。而推進劑的動能來自於以其它形式儲存的能量，可以是化學能，電能，核能，壓力勢能等等。

傳統的化學火箭發動機是利用推進劑的燃燒將儲存於推進劑中的化學能轉化為熱量，這部分能量在收斂擴張超音速噴管中又被轉化為動能。不同於飛機發動機，火箭發動機並不吸入空氣，將空氣中的氧氣作為燃燒所用的氧化劑，而是選擇自帶氧化劑。傳統的液體火箭燃料為煤油/液氧或者液氫/液氧。因為火箭自帶的燃料和氧化劑燃燒所能釋放的能量很有限，導致化學火箭發動機的噴氣速度很慢，也就是比沖很低。而且因為超音速流體力學的原因，如果想要將推進劑的能量全部轉化為動能，需要一個極寬而且極長的噴管，沒有任何工程學實踐意義。所以為了得到足夠的飛行速度，火箭需要攜帶大量的燃料，導致一枚火箭發射全重的絕大部分都是燃料，因此效率十分低下。例如太空梭發射時離地質量超過2000噸，但實際有效載荷只有一百多噸。

但是在太空中航行不同於在大氣層內航行，因為沒有空氣阻力，即使飛行速度較慢，但航天器仍然可以持續飛行，因此這個問題不是特別嚴重，化學火箭效率低但是也能完成工作。但在深空探測項目中，飛行距離都是以百萬公里記起步，提高飛行速度就變得很有吸引力了。例如火星登陸的任務，如果飛行速度太慢，在飛行途中需為宇航員配帶大量的食物和氧氣。如果可以實現更高的飛行速度，快去快回，便捷性將大大提高。

如果利用電磁場對帶電粒子直接加速，系統將不再受化學火箭發動機噴管幾何問題的限制，可以得到遠遠大於傳統化學火箭的噴口速度，也就是更高的比沖。舉個例子，阿麗亞娜5號的一級主火箭發動機火神2號的噴口速度為4230m/s，比沖為431秒。而NASA

Evolutionary Xenon Thruster (NEXT)以氙氣作為推進劑的離子噴射發動機噴口速度為40km/s，比沖達到了4300秒，是火神2的十倍！

其工作原理大致如下：先將推進劑電離，再利用電場將離子加速噴出形成推力，同時向射出去的離子束噴電子，讓它呈電中性，否則噴出去的離子將會被航天器吸引回來。第一台離子噴射發動機是由美國物理學家Harold R. Kaufman 1959年時在NASA製造，並成功測試。它先將電中性的汞注入電離室，同時將電子射入電離室，然後電離室周圍的電磁線圈將對射入的電子加速以轟擊中性的汞原子來製造汞離子，隨後汞離子在外加電場的作用下加速噴出，最終再使用電子使其中性化。但是現代離子推進器中使用的推進劑大多為氙氣，以代替原先有劇毒的汞。

之後基於Kaufman的設計又衍生出很多新的設計，例如歐洲Thales公司的HEMP（HIGH EFFICIENCY PLASMA THRUSTER高效等離子推進器）發動機，它利用電離室中交替的磁場與電場來電離並加速推進劑，取代了原先的加速格柵，氙氣的電離率從而被大幅提高，因此HEMP發動機的效率與Kaufman的設計相比有了大幅提高。

以及霍爾效應推進器，它利用霍爾效應將中性器（在Kaufman設計中只用來向射出的離子束噴射電子來中性它）噴出的電子約束在環形電離室區域內處，這些電子在電磁場的作用下加速，撞擊並電離作為推進劑的氙氣，電離態的氙再被電場加速射出。

上述的兩種設計都避免了使用電極格柵來對離子進行加速，從而避免了高速離子對格柵的衝擊與腐蝕。這對於提高推進器壽命來說是非常有優勢的。

不同於傳統化學火箭發動機，這類發動機的推進劑不進行化學反應，所以需要額外的電能。這部分能量可以通過太陽能電池板獲得，但在進行深空探測項目的時候，由於航天器距離太陽非常遠，太陽能電池板的發電能力十分有限，為了得到足夠的電能需要非常大的電池板，這也擠佔了有效載荷，限制了航天器的其它各項能力。但是幸好還有一個相比電池板更優雅的解決方案——鈈元素衰變電池。它利用鈈238的衰變生成鈾234並釋放一個阿爾法粒子產生的熱量來發電，雖然效率極低只有3-5%，每一公斤的鈈元素只能提供30瓦左右的電能，但是它的半衰期為87.7年，因此可以長時間穩定的供給電能，不受外界影響，著名的好奇號火星探測器也將它作為電能來源。穩定的電能供給同時也意味著可以節約儲電系統的重量。但是鈈238是極其昂貴的，在美國其售價為1000萬美元每公斤，相比之下氙氣只需2800美元一公斤。有一點遺憾的是，出於安全原因，衰變電池在歐洲航天項目中的應用受到ESA歐航局很大的限制，其中一個例子就是羅塞塔號探測器擁有碩大無比的太陽能電池板，它於2004年3月2日發射，在2014年11月12日它搭載的菲萊登陸器成功地在67P/楚留莫夫—格拉希門克彗星上登陸，這是人類史上第一次控制探測器於彗星上登陸，它在2016年9月30日於彗星67P上墜落之前成功執行了很多其它探測任務。現在ESA也在評估，放鬆對衰變電池的限制。

離子推進器有諸多好處，但也有它的局限性，因為航天器的電功率有限，它的推力非常受限，只有幾十毫牛，大約就是一張紙的重量。如今它主要被應用在衛星的姿態控制動力系統，因為它的比沖非常高，如果用它來代替傳統化學火箭發動機完成衛星從GTO（地球同步轉移軌道）到GEO（地球同步軌道）的變軌，可以節約大量重量。例如一個3500公斤的衛星，可以節約3000公斤燃料重量，極大降低了發射成本。但是傳統化學火箭可以在幾個小時內完成霍曼軌道轉移，離子推進器需要三個多月，不同於霍曼軌道轉移只需兩次引擎推進，由於離子推進器的推力有限需要在地球同步軌道每次經過遠地點時啟動來提高近地點軌道高度。因為衛星極其昂貴，對於衛星運營商來說，這意味著這三個半月都不能盈利，延遲了正現金流，提高了融資成本。離子推進器和它所替代的上面層火箭發動機售價現在幾乎一樣，但是隨著離子推進器的進一步成熟，會在可預見的將來使用成本降到遠低於技術已經十分成熟的傳統化學上面層火箭發動機，歐洲現在有公司已經在研發極低成本離子推進器。

但是對於深空項目，它的優勢是無與倫比的，例如火星登陸任務，如果使用化學火箭完成，需要6個月的飛行時間，而離子推進器可以在39天內完成，節省了巨大的成本，使不可能變為可能。

最後再講兩個離子推進器的優秀應用案例。2009年3月27日歐航局ESA發射了一個名為GOCE的衛星探測器來探測地球重力場和海洋環流。由於測量精度要求，它的飛行軌道低至250公里，在這個高度，空氣阻力並不能被忽視。為了克服空氣阻力，它裝備了一台離子推進器，不間斷工作了2年卻只消耗了40公斤氙。

2001年7月12日，阿麗亞娜5號在發射歐航局3100公斤的阿爾忒彌斯任務航天器時由於二級火箭發動機Aestus工作異常，衛星沒有達到GTO預定軌道，遠地點只有17487公里，是預定高度的一半。這時它搭載的RITA-10離子推進器力挽狂瀾，在7年中累計工作7500小時，消耗了14.2公斤的推進劑，最終使航天器到達了預定軌道。

除了作為航天器飛行主動力以外，它也是非常優秀的航天器姿態精確控制動力。由於離子推進器的控制系統主要採用電磁推進方式，其推力可控制性遠遠高於傳統化學火箭發動機。其中最有野心的應用計劃為將於2034年升空的LISA（Laser Interferometer Space

Antenna）激光干涉空間天線，其通過激光干涉來以極高精度測量信號相位，來實現遙遠宇宙中引力波源的探測。LISA由三個相同的航天器組成，它們形成一個互為60度的等邊三角形，和地球在同一日心軌道飛行並繞地球飛行，LISA每一個天線與地球的連線，和它與太陽的連線全程保持一個特定角度來減少地球引力對其測量結果產生的影響。儘管它的測量距離非常大，但它的測量精度可以達到一萬億分之一米，這就對航天器姿態精確控制提出了極高的要求。而其中最有可能應用的一種發動機為電子場致發射發動機（Field

Emission Electric Propulsion），其也為離子推進器的一種，不同於上述幾種設計原理，其推進劑為液態的金屬銫。它在一個高壓的電場下（通常為一萬伏），表面被激化為不穩定態，形成一個泰勒錐。從泰勒錐尖部射出的離子射流被電場加速到100公里每秒的速度，形成推力。由於推進劑射出速度極快，它可以達到1萬秒的比沖。而它可以實現0.1到150微牛的推力，也就是最低推力是千萬分之一牛，從而對航天器的飛行姿態以極高的精度進行控制。這些都是傳統化學火箭發動機望塵莫及的。

經過幾十年的發展，人們設計與製造離子推進器的水平有了長足的提高，在科研與商業領域都有越來越多的應用。它們降低了商業航天的成本，並使很多曾經被認為不可能的科研型航天項目具有了可行性。在可預見的未來，太空中將有越來越多它的身影。

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