等离子发动机

等离子发动机的必然选择

在科幻小说中，飞行器总能为星际旅行的全程提供动力。但在现实中，火箭推进器的发动机技术，根本无法实现这一点。相对于裸露在外的推进剂储箱，化学火箭的发动机看上去很小，但它的胃口很大。“吃得多，干活的效率却不高。”张福林说。这种发动机吞噬掉的海量能源，只在提供短期动力方面有效——储存的燃料很快用完，推进器马上被当成垃圾扔掉。化学火箭的大部分燃料被用来摆脱地球引力，剩余的一点则被用来推动火箭的“太空滑行”。火箭飞往目的地，仅仅是依靠惯性。对于星际飞行来说，这种引擎显然力不从心。“土星5号”就是典型代表。它的第一级装有2075吨液氧煤油推进剂。一旦发动机点火，它可以在2分34秒内全部“喝”完这些“饮料”。高温气体以2900米/秒的速度喷射，却仅仅够将47吨的有效载荷送上月球。在全部能够产生的3500吨推力中，很大一部分被用来“拖”起火箭自身和2000多吨燃料。所以它的“比冲量”并不高，只有300多秒，表明了它的推进效率的低下。这就是为什么要将一个质量很小的人送上太空，却必须使用一枚巨大火箭的原因。等离子发动机，或者俗称的“离子推进器”采取了一种和化学火箭完全不同的设计思路。它使用洛伦兹力让带电原子或离子加速通过磁场，来反向驱动航天器，和粒子加速器与轨道炮都是同样的原理。“等离子火箭在一定时间内提供的推力相对较少，然后一旦进入太空，它们就会像有顺风助阵的帆船，逐渐加速飞行，直至速度超过化学火箭。”张福林说。实际上，迄今已有多个太空探测任务采用等离子发动机，如美国宇航局探测小行星的“黎明号”（Dawn）探测器和日本探测彗星的“隼鸟号”（Hayabusa）探测器，而欧洲空间局撞击月球的SMART-1探测器的目的之一，就是验证如何利用离子推进技术把未来的探测器送入绕水星运行的轨道。这些已经实用的离子发动机都很迷你，多属于辅助发动机，推力和加速度都很小，要使航天器达到预定的飞行速度，用时极长—SMART-1的等离子体发动机提供的加速度只有0.2毫米/秒方，推力只相当于一张纸对于手掌的压力。这样的发动机，带上一只蚂蚁都无法脱离地球的重力场。但它们在太空中的表现能够弥补这个缺陷。优越的比冲量，也就是能用更少的燃料提供更多的动力，使它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。“1998年发射的深空1号（Deep Space 1），由德尔塔火箭送上太空，然后由离子发动机推动。它的离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量相当于液体火箭的10倍。每天消耗100克氙推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25~32米。它最终的工作时间超过14000小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。”张福林介绍道。正是这一原因，使等离子发动机成为航天界新的宠儿。等离子发动机中的新秀VASIMR被美国航空航天研究所（AIAA）列为2009年十大航天新兴项目。NASA的新任掌门人查尔斯·博尔登（Charles Bolden）也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供经费，希望他们能够完成自己的承诺——让VASIMR在2012年或2013年能够安装到国际空间站上进行点火测试。

等离子发动机的发展问题

核动力还是太阳能？“VASIMR最终将是一个核电火箭发动机。”张福林认为，因为目前最好的动力来源就是核反应堆。等离子发动机需要超长的持续电力供应，用核裂变反应堆为VASIMR提供电力，能很轻松地将人们带到火星，使用的燃料比化学火箭少很多，飞行时间也会少很多。这要求携带一个电力供应装置。但是VASIMR的主要买家NASA却始终对它的动力源守口如瓶。他们所说的能源方式是使用一个巨大的太阳能电池板。但电池板的效率不够高，如果想往外围的深空继续进发，或者运送更大的载重，就必须获得更大的电能，至少应该达到以兆瓦计算的规模，而目前的VASIMR最多也就200千瓦。对太阳能电力系统进行改进以增加太阳能的利用效率，唯一可预期的方式是使用纳米技术，但需要多久才能发展出能实用、可靠的技术呢？还没有答案。唯一的选择就是使用核电系统，NASA的表态可能是考虑到安全问题，以及公众的“谈核色变”。“很明显，核裂变只要设计正确，操作维护认真，是可以安全运行的。”VASIMR研究项目小组的负责人对使用核技术并不回避，他说：“VASIMR是在航天器升上太空之后才开始启用，核反应堆在离开地球时处于惰性状态，并且我们将它拆开后才向太空运送。因此任何单独一部分都不会对地球造成威胁，惰性状态下的铀也没什么危险。”技术已经能让船载核电系统产生数百千瓦的电能，而且在不远的将来能发展到兆瓦的级别。离子发动机的推力仍旧比不上传统的火箭发动机那么高，不适合做火箭的第一级发动机，很难将有效载荷从地球带到近地轨道。但比冲量方面的优势则很明显，到了近地轨道，离子发动机的优势才能显现。张福林和他的团队希望在测试中将动力升至200千瓦，这足够提供大约0.45千克的推力。听上去并不太多，但在太空中，0.45千克的推力可以驱动2吨重的货物。2012年，Ad Astra的VASIMR原型（使用太阳能发电，而不是核能）将被带到国际空间站，一名宇航员将在太空行走中安装这台200千瓦的发动机。如果一切顺利，用5牛顿的推力，就能让国际空间站实现变轨。试验成功与否，将暗示着VASIMR能否为NASA画出下一个十年计划的美好前景—轻松将人员或货物送上月球，或者火星。

从科幻走进现实的离子推进器，是怎么工作的

离子推进器的工作原理大致如下：先将推进剂电离，再利用电场将离子加速喷出形成推力，同时向射出去的离子束喷电子，让它呈电中性，否则喷出去的离子将会被航天器吸引回来。第一台离子喷射发动机是由美国物理学家Harold R. Kaufman 1959年时在NASA制造，并成功测试。它先将电中性的汞注入电离室，同时将电子射入电离室，然后电离室周围的电磁线圈将对射入的电子加速以轰击中性的汞原子来制造汞离子，随后汞离子在外加电场的作用下加速喷出，最终再使用电子使其中性化。但是现代离子推进器中使用的推进剂大多为氙气，以代替原先有剧毒的汞。
之后基于Kaufman的设计又衍生出很多新的设计，例如欧洲Thales公司的HEMP（HIGH EFFICIENCY PLASMA THRUSTER高效等离子推进器）发动机，它利用电离室中交替的磁场与电场来电离并加速推进剂，取代了原先的加速格栅，氙气的电离率从而被大幅提高，因此HEMP发动机的效率与Kaufman的设计相比有了大幅提高。

宇宙飞行 太阳能 电能 能用来做动力能源么

电能可以提供动力的
等离子体电火箭。这个不是新东西，欧洲的那个探月卫星就早就用了这个动力。它靠电场加速等离子体提供动能

平常卫星上的光电池产生的电能不是用来提供动力的，而是为星载电子设备提供电源的。这些卫星的动力还是靠常规的化学火箭，火箭的作用是改变轨道和维持轨道高度使用的。一旦燃料用完，卫星也就快报废了