離子發動機:離子發動機是太陽能電火箭發動機三種類型中的一種，故而又將其稱 -百科知識中文網

簡介

除了傳統的化學火箭發動機外，就屬離子發動機在宇航中的套用最廣。離子發動機的能量來自電力，可以來自太陽能電池板，或者核電池，通過從發動機尾部噴射出陽離子來推動飛船前進，所以離子發動機的驅動方式也被叫做電力驅動方式。

原理

經過光電轉換裝置將太陽能變為電能，再通過結構設計使電能產生電磁場；工作介質在高溫下被電離，電子從原子或分子中跑出，丟掉電子的原子或分子帶正電，逸出的電子帶負電，它們在總體上是呈中性的，這就形成了電漿；呈中性的電漿具有導電性，與磁場能相互作用，由電磁感應可以獲得產生加速度的力。概括起來說，就是利用太陽能引發的電磁場對載流電漿產生羅倫茲力的原理，使處於中性的等離子狀態的工作介質加速以產生推力。這種太陽能電火箭比通常使用的化學火箭效率要高10倍，所需推進劑即工作介質較少，可使太空飛行器有更多的空間裝載有效載荷。由於它利用的是取之不竭的太陽能，故而能在太空無重力狀態下連續運轉幾年時間。缺點是推力和加速度都很小，要使太空飛行器達到預定的飛行速度，用時很長。如智慧1號的太陽能電漿發動機提供的加速度只有0.2毫米/秒2。它的重要意義在於，假若這次飛行試驗成功，今後就會在更遠距離航行的太空飛行器上採用這種推進系統。

缺點

目前的離子發動機的最大缺點是推重比太小，其推力只相當於一張紙對於你的手的壓力，顯然這樣的發動機無法讓飛船和探測器脫離地球的重力場，也無法攜帶大的負載。但這個缺點卻被這種發動機在太空中的表現彌補了，由於它優越的比衝量，它最終能把傳統的化學火箭遠遠拋在身後。換句話說，就是儘管傳統的火箭發動機有更高的推重比，但是卻以很低的比衝量把燃料在很短的時間內消耗光；而現在的離子發動機能持續運轉好多月甚至數年，這樣，儘管推力小，但能通過長時間的積累達到更高的總衝量(impulse，等於力的平均值與它的作用時間相乘的結果)，並最終達到更高的速度。　

套用實例

深空1號探測器

提到離子發動機，就不能不提美國的深空1號探測器。雖然離子發動機過去在衛星上經常使用，但都是作為輔助發動機，用於姿態調整或者軌道維持；而深空1號第一次將離子發動機作為主發動機使用。深空1號的離子發動機也是迄今為止將電能向推力轉化效率最高的，在太空中運行壽命最長的，也是比衝量最高的，比衝量超過3,000秒。這種離子發動機追根溯源可以推到上個世紀的60年代，但到現在仍可以滿足美國宇航局的兩個目標，也就是大大減少旅程時間和初重，以低成本更快地完成行星際任務。而1998年10月24日發射的深空1號探測器的任務除了測試12項先進科技(其中包括作為主發動機的離子發動機)，就是為了完成探測小行星Braille和遙遠的彗星Borrelly這樣的行星際任務。在圓滿完成任務後，深空1號於2001年12月18日報廢。離子發動機工作的核心就是對噴出的氣體進行離子化，這一般是以電子轟擊的方式來實現。通過加熱和電場加速的方式將電子從陰極向陽極發射並進入放電室，氣體推進劑氙同樣被注入放電室，並在放電室施加磁場，增加氙原子和電子碰撞的可能性。碰撞後，氙原子核周圍的部分電子將被擊開，使得氙原子被電離，帶上正電。這種離子非常活躍並且移動得非常快。位於放電室後邊的高壓柵極將最後產生推力，方式是製造靜電場，對離子生成拉力讓它們向柵極方向加速，當它們通過後，速度將達到每秒31.5公里，並被集中成一個離子束最終從飛船尾部噴出去，深空1號尾部噴射出的藍色離子火焰。需要注意的是，在最後階段一個中和器收集多餘的電子並把它們注入噴出的離子束，這樣可以避免飛船被帶上大量的負電荷。深空1號探測器是美國宇航局新千年項目的第一艘飛船，它的離子發動機產生0.09牛頓的推力，比衝量是3,300秒，每天消耗100克氙推進劑，在發動機全速運轉的情況下，每過一天時速就增加25-32公里。深空1號由德耳塔火箭送上太空，然後由離子發動機推動。最初發動機只開動了4小時就突然停機，但後來恢復了運轉並從此一直順利運行，其最終的工作時間超過14,000小時，超過了此前所有傳統火箭發動機工作時間的總和。而最初發射深空1號時，只計畫運轉200個小時以證明這種離子發動機是可行的。美國宇航局在地球上實驗室中，和深空1號發動機一樣的離子發動機甚至持續工作了更長的時間。深空1號離子發動機的工作方式只是許多方式中的一種而已，這種方式被稱為Ion Engine，作為離子發動機的代表，但使用電來產生離

子漿並進一步推動飛船的具體方式還有好多：霍爾推進器(Hall Thruster)：利用軸向電場(axial electric field)來加速離子。一個輻射磁場和軸向電場相互作用來產生方位角霍爾電流(azimuthal Hall current)，這個電流部分限制電子，讓放電室中電離化效率比較高。這是個在蘇聯發展成熟的技術，一般用於衛星姿態穩定。

脈衝離子漿推進器(Pulsed plasma thrusters，PPT) ：這種方式利用電流弧光，在固體推進劑(幾乎總是用特氟隆)中產生快速而可靠的脈衝燃燒。PPT用於姿態控制效果很好，不過它是利用電來推進的系統中效率最低者之一，推進效率不到10%。
磁致離子漿動力推進器(Magnetoplasmadynamic thruster，MPD)：也被稱為洛倫茲力加速器(Lorentz-force Accelerator，LFA)，它使用洛倫茲力(磁場和電場共同對帶電粒子施加的力)來推動離子。MPD技術已經在實驗室中被開發出來，但對它的商業興趣很低，儘管在理論上它能產生極高的比衝量，因為它和Ion、Hall以及PPT方式不同，不使用電級，使用電級對離子進行加速的方式會使噴出的加速流被位於出口的電子源中性化，從而減低效率。MPD可以穩定運行，也可以脈衝運行。

可變比沖磁致離子漿火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket，VASIMR)：《北京青年報》2000年的一篇文章《打造星際飛船新引擎》把這個方式大大吹噓了一番，認為是未來的方向。其實這種系統只是介於高推力低比沖的傳統發動機和低推力高比沖的離子發動機之間的類型，可以在這兩者之間調整參數。它也不用電極，而是在發動機前室使用電波來對氫推進劑進行離子化，然後在中室用磁場讓其按自然頻率繞磁場鏇轉，並使用無線電按照同一頻率轟擊，讓溫度上升到1千萬K，再從後室把鏇轉變成軸向運動並釋放出去。最後，在離子化方面，日本構想用微波的方式來進行，用微波來擊活推進劑氣體的電子，之後就是和深空1號一樣把離子聚集成束並以靜電場加速噴射出去。美國宇航局也採用了日本人的辦法測試了新的微波離子發動機，並得出結論認為這種方式可以讓發動機工作得更久。上述各離子發動機的共同特點都是使用電能，利用電來直接電離，或者用電來製造磁場、電波、微波等，然後用它們來對推進劑進行離子化。所以它們也被稱為電動推進發動機。　

評價

離子發動機超長時間的持續工作固然是優點，可以逐漸積累到很高的速度

，但這同樣是缺點，因為這要求超長時間的持續電力供應。這要求攜帶一個電力供應裝置，目前的方式是使用一個巨大的太陽能電池板，不僅加重重量，而且隨著探測器遠離太陽，其效率也不斷下降。可以說，目前限制離子發動機發展的瓶頸因素就是電力，由於目前的太陽能電力系統缺乏效率，離子發動機的設計也就只能在低電能的基礎上進行。如果我們想往外圍的深空繼續進發，或者運送更大的載重，就必須解決這個問題，獲得更大的電能，至少應該達到以兆瓦計算的規模，而目前的深空1號最多僅僅能產生2.5千瓦，其中能提供給離子發動機的是2.1千瓦。對太陽能電力系統進行改進以增加太陽能的利用效率，目前唯一可預期的方式是使用納米技術，但並不知道需要多久才能發展出有用的技術。所以對於近期來說，唯一的選擇就是使用核電系統，目前的技術也能讓船載核電系統產生數百千瓦的電能，而且在不遠的將來能發展到兆瓦的級別。在核電系統中，來自原子反應堆的熱量可以通過熱電轉化方式或者熱離子轉化方式變成電能，這種辦法在上世紀60年代就被看作是可以讓人類開拓太陽系的技術，而這個方式也有可能提供一個低成本的系統用於太空商業化。核電系統比太陽能電力系統產生更高的電力，從而可以讓離子發動機獲得更高的推力，更高的比衝量。雖然推力仍舊比不上傳統的火箭發動機那么高，但比衝量方面的優勢則很明顯，傳統的化學燃料火箭發動機的比衝量是大約400秒上下，深空1號通過太陽能電力系統獲得的比衝量在3,300秒左右，而利用核電系統的離子發動機可以達到13,000秒。由於電力充足，核電系統可以讓發動機和儀器分享和調配電力。當儀器不需要電力的時候，可以把全部的電力都送給發動機，但需要讀取、檢測、傳送信息時，可以關掉發動機，把電力都調給儀器。這就提供了節約大量重量的可能性。而最大的好處自然是核電系統即使遠離太陽也不影響工作效率，從而能在深空工作。

新發展

今年9月又有訊息，對於核能的熱電轉換率又找到更好的辦法可以進一

步提高。美國加州大學在洛斯阿拉莫斯實驗室(Los Alamos)工作的科學家利用一種稱為傳送波發動機(traveling-wave engine)的概念，可以將熱量轉換成電能的效率從過去的7%提高到18%。這意味著同樣的核反應堆提供的電力能夠增大一倍半。目前的核發電機是使用熱電轉換方式(thermoelectric)而新辦法使用熱聲轉換方式(thermoacoustic)，具體做法是將氦氣送過一疊322個不鏽鋼金屬絲網製成的碟子，它們被叫做交流換熱器，交流換熱器同熱源連線。而吸熱設備則讓氦氣膨脹和收縮，這樣的膨脹和收縮能產生強大的聲波，這就如同大氣層中閃電會導致熱膨脹從而產生雷聲一樣。震盪的聲波在發電機中就驅動活塞，產生電流。如前所述，用這樣的熱—聲—電方式產生的電流比熱—電方式效率更高。在核電系統方面，我們需要取得的進展不僅是需要高效率，以獲得兆瓦級別的電力，還需要製造出質量輕的電力系統。而最主要的缺點是需要對核輻射進行保護，以確保船上的成員和載貨不受輻射以及來自反應堆的高熱的影響，這將會增加船體重量。不過就目前來說，還沒有將離子發動機用於有人駕駛的飛船的計畫，而是將繼續用於探測器。近期配備離子發動機的探測器的任務包括到彗星採樣，探測土星環，以及在木星的衛星歐羅巴上著陸。在這些遠程飛行中離子發動機將比常規火箭發動機更快，例如，在2011年的Rosetta彗星任務中如果選擇配備離子發動機的探測器，可以在大約5年左右的時間內取樣並返回，而用傳統的火箭發動機，單到達那顆彗星就需要花費9年時間。

離子發動機

基本信息

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原理

缺點

套用實例

評價

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