离子发动机：星际远征的重要动力

小火箭出品

本文作者：邢强博士

“霍尔推进”、“全电卫星”、“离子推进”这些概念终于从学术论文和军用卫星项目中发展到了实用化的商业卫星上并进入了公众的视野中。

小火箭认为，几十年后，当人类在火星基地和远征遥远星际的飞船中回眸航天技术发展的时候，我们在今天讨论的有关电推进的话题或许仍能博得人们的会心一笑。我们此时正处在一个人类昂首迈入浩淼的星辰大海的时代，推动我们向前的便是以电推进、光推进、核能推进等技术为代表的星际远征时代的桨与帆。上图为电影《星球大战》中的Imperator级驱逐舰，其主发动机为离子推进器。

先驱的凝望

电推进技术在今天也仅仅算是刚开始摆脱萌芽状态逐渐走向实用，而梦想的眼光却早早地盯住了她。人类宇宙航行之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基留给后人的除了一句“地球是人类的摇篮，但是人类不可能永远活在摇篮里。”和一个火箭推进方程之外，还留给我们很多有关星际远征的想法。

1912年，摇篮叔提出了探索临近恒星的星际远航设想，并将轨道时间设定为10到40年。为了达到远航所需的速度，摇篮叔提出了借助电能将微粒加速到极快的速度并向后喷出，以此来获得使飞船加速的反作用力的方法。也就是说，早在一百多年前，电推进的概念便已形成。

要是继续再去考据电推进技术的来源的话，我们会找到一页发黄的日记。1906年9月6日，一个青年在日记本上写下了自己对高速运动的电子将会拥有巨大潜力的思考。这个青年叫戈达德，那一年他24岁。

11年后，已成为克拉克大学助理教授的戈达德博士提交了一份专利申请，那时他已经对电推进技术进行了一些试验。1920年12月公开的编号为US1363037A的专利成为了大家比较公认的最早的电推进系统。有关戈达德之后的事情，大家或许已经很清楚了，他在1926年发射了人类第一枚液体燃料火箭。跟摇篮叔类似，他也留下了一句话：“昨天的梦想就是今天的希望、明天的现实！”

前辈的探索

火箭技术从此突飞猛进，并逐渐影响着人们的幻想和战争的形态。不过，本文要和大家一起讨论的是电推进技术，在这里不得不将燃烧液体燃料或固体燃料的化学火箭这一段快进过去了。

1960年6月，NASA刘易斯飞行研究中心（LewisResearch Center）的Kaufman教授研制成功了世界上第一台实用型电推进装置，并将其命名为离子推进器（ionthruster），摘得了电推进领域的桂冠。

话说卷福和刘易斯实验室的Kaufman教授长得很像。

不过，刘易斯飞行研究中心这个名字现在已经找不到了，1999年该研究中心更名为格伦研究中心。后来有人提出抗议，于是名字又改成了刘易斯领域的格伦研究中心（JohnH.Glenn Research Centerat Lewis Field）。

好在平时大家为了方便，都还是把她叫做格伦研究中心。该中心对改名这件事情有独钟，以前还曾用过“飞行推进研究实验室”和“动力装置研究中心”等名字。

1964年7月20日，两台NASA制造的离子推进器被装到了SERT-1号（Space Electric Rocket Test-1空间电火箭实验1号的缩写）飞行器上由身材苗条的侦察兵火箭发射进入亚轨道，其中一台点火失败，另一台则成功工作了31分16秒，使得首次在太空启动的美国制造的离子推进器的荣誉也到了刘易斯研究中心手中（要是一直保持这个名字的话，该研究中心能积累很多项荣誉。或许是因为他们的新项目太多，比较任性吧）。

图为一枚正在发射升空的侦察兵运载火箭。

这种推进器被称作电子轰击式离子推进器（也有人为了纪念而将其称为Kaufman式离子推进器），属于静电式推进器的一种。

一个空心的阴极放电筒向外释放电子。电子在电磁场的加速下争先恐后地去轰击气体室中的气体（比如汞蒸气、铯蒸汽、氪气、氙气等），使气体电离成带正电的离子。这些离子被电场加速后快速喷出，产生推力。另外，一个被称作电子中和枪的装置在不停地向发动机喷出的离子喷流中发射电子，以便中和正离子流，让航天器本身不会积累大量电荷。

1970年，SERT-2号飞行器被发射到1000公里高的极轨道上。上面搭载的以汞离子为工质的两台离子推进器在空间环境中分别工作了2011小时和3781小时，并且总共完成了300次开关。

美国早期对电推进技术的应用以这种离子推进器（IonThruster, 简称IT）为主。离子推进器的比冲可以达到3000秒，但是它的结构比较复杂，可靠性不高，仅仅做好推进器的配电装置这一项也足够难为那个年代的工程师们了。

另外，汞和铯都需要加热才能产生足够浓度的气体。当离子喷出后，这些汞和铯会凝结并附着在飞行器表面，想想就让人觉得不适。

以研究磁约束核聚变闻名的苏联库尔恰托夫原子能研究所在1954年制成世界上第一台托卡马克装置。而在这之前的1953年，他们就启动了一种名为脉冲等离子体推进器（PulsedPlasma Thruster, 简称PPT）的电推进系统的研究。

不出所料，这种电推进系统后来被划归为电磁式推进系统。在这种发动机的“燃烧室”内，电压高达3kV，工作时间在几十微秒之内的电脉冲将推进剂烧蚀成等离字体。等离子体在电磁场的加速作用下高速向后喷出，形成推力。推进剂通常选用氯化钡或者聚四氟乙烯（就是我们常见的不粘锅涂层）。这种发动机可以通过调节电脉冲的占空比来比较精确地控制推力的大小。

另外，用作推进剂的聚四氟乙烯占用体积小，能在高真空度和极低温的环境中长期存放，稳定可靠。

1965年11月，苏联的金星2号深空探测器装上了6台脉冲等离子体推进器向金星进发。这是电推进技术首次应用在深空探测领域。虽然后来该探测器的通讯设备失灵，使得探测器掠过金星后改为绕太阳飞行，但是足以证明电推进技术是可以担当重任的。

此后10年，苏联做了一些地面试验和一次空间试验，用来分析脉冲等离子体的喷流对航天器通讯系统的干扰，明显是对逝去的金星2号念念不忘。再后来，莫斯科航空学院继续对这种推进器进行研究，开发出了一系列用于空间精确定向的小型发动机。

美国也在开发自己的脉冲等离子体推进器（PPT），并且比苏联还要执着。1968年，美国将PPT用在了通讯卫星的位置保持系统上。后来在整个70年代和80年代，PPT成了美国海军导航卫星的老朋友。

不仅子午仪导航卫星的后两颗星上用了PPT，就连子午仪卫星的升级版——诺娃系列卫星上也全都采用了PPT来补偿阻力对卫星轨道的干扰。

上世纪70年代，美国为了让PPT的应用范围更大些，花了大量人力物力来努力增大PPT的总冲。可惜这项为期10年的项目终于因为没法让电容器的寿命符合要求而作罢，也是蛮拼的。

还有一种电推进的形式是用电阻或者电弧来加热工质。工质受热膨胀后经喷管喷出，产生推力。这种电推进的技术含量比较低，也就不细说了。其实我们日常生活中也能见到这种推进器，比如正在放气的电高压锅。不过，值得一提的是，电热式推进器成本低廉，并且其工质几乎可以是航天器上能找到的可以煮的任何材料，其中当然包括生活垃圾、循环利用之后的宇航员的粪便、尿液的残余物之类的。我们就掩鼻路过算了吧。

至此，我们对静电式、电磁式和电热式三大类电推进系统有了一个初步的了解。其中，静电式推进器我们以电子轰击式推进器为例，电磁式推进器我们以脉冲等离子推进器为例。但是，还有一种推进器，她也属于静电式推进器，但又与电子轰击式推进器不同。她便是已经引起很多人关注的霍尔推进器。

霍尔推进

1879年，美国物理学家霍尔于在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电压。这个电压叫做霍尔电压。这一现象便是霍尔效应。

霍尔效应涉及了电场力与磁场力，是库伦与洛伦兹之间的一场角力，当然也是国内高中物理习题中的常客，是美国物理学家对人类的一大贡献。

然而，霍尔推进器是苏联人发明的。

1962年，苏联科学家莫罗佐夫提出了静态等离子推进器（StationaryPlasma Thruster，简称SPT）的概念。推进剂气体一部分通过阳极进入环形放电室，一部分进入空心阴极。在推进器内部，有一对互相垂直的电场和磁场（电场沿轴向方向，磁场沿径向方向）。空心阴极是一个维持稳定放电的电子源。其产生的电子在径向磁场的洛伦兹力的作用下，形成了一个做圆周运动的电子束。这个电子束便是霍尔电流的来源。霍尔电流在磁场中产生霍尔效应。

在轴向电场的相互作用下,欢腾的电子与推进剂激烈碰撞并使推进剂电离。在电磁场的作用下，推进器内部的离子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成推力。

另有一种TAL推进器，是带阳极层的静态等离子推进器（SPT），是另一种霍尔推进器，也是苏联人提出来的。但人们对她的研究远不如SPT那样多。因此，从这里开始，霍尔推进器（HL）也就是指的静态等离子推进器（SPT）。

SPT的放电电压是PPT的十分之一左右，因此其可靠性可以做得比PPT更高一些。上图为苏联SPT推进器系列。

在上世纪70年代，PPT已经能够实现连续工作几千个小时并维持40%左右的工作效率。

1971年，霍尔推进器进行首次太空实验。在苏联的“流星”卫星上，400W的霍尔推进器让卫星的轨道高度提升了16.5公里。霍尔推进器的结构简单（虽然其工作原理说起来比较拗口），可靠性高，比冲大（可达3000秒以上）并且能够与航天器的其他系统和平相处，于是大受欢迎。

苏联在流星、荧光屏和地平线等卫星上广泛应用着霍尔推进器，并快速形成了以SPT命名的发动机系列。

美国在上世纪80年代也对霍尔推进器进行了大量研究，但是其性能却始终难以达到苏联霍尔推进器的水平。不过，一个重大的事件让苏联神秘又先进的霍尔推进器走向了世界。

1991年底，苏联解体。这一事件发生后不到100天，4台SPT-70霍尔推进器便出现在了NASA的实验室中。不过大家不要过早惊讶，如果这时候我们去NASA的JPL（喷气推进实验室）看一眼的话，还会发现一台SPT-100霍尔推进器的实验样机。SPT-100是苏联解体前准备为其地球同步轨道卫星装备的大功率霍尔推进器（功率是SPT-70的2倍，总冲是SPT-70的3倍）。

1992年，美国、俄罗斯和法国联合成立了国际空间技术公司。SPT-100霍尔推进器成了国际明星。1993年，法国与俄罗斯法克尔(Fakel)设计局联合成立了科研团队，并在法国和俄罗斯的共同专利下生产了PPS-1350霍尔推进器。（提到俄罗斯法克尔设计局，很多人会立刻想到鼎鼎大名的S-300和S-400等防空导弹，实际上该设计局对空间电推进技术的研究也是非常厉害的。）

2001年，一枚阿丽亚娜-5号火箭将法国通讯卫星STENTOR送入轨道。该卫星上面安装了两台SPT-100和两台PPS-1350共4台霍尔推进器。

再往后，我们大家熟知的SMART-1就登场了。2003年9月27日欧空局ESA第一个月球探测器SMART-1发射升空。欧空局对该探测器的介绍让更多人了解了霍尔推进器。当我们知道该推进器的型号是PPS-1350G的时候，也就能大概知道这背后的渊源了。

2015年2月19日（正月初一），中国霍尔电推进系统实现了18000小时的寿命突破。美国东部时间2015年3月1日晚10点50分，波音公司研制的两颗全电动商用卫星搭载SpaceX公司的猎鹰九号火箭发射。2015年3月6日，NASA的“黎明”号探测器成功进入谷神星轨道。这些事件涵盖了地面试验、地球同步轨道卫星和深空探测三个领域，但它们都与航天飞行器的电推进技术有关。星际远征的时代，离我们已经很近了。

小火箭将在下一篇文章中用几个轨道计算的算例，详细比较化学火箭与离子火箭之间的区别，感谢大家的支持和鼓励！

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