離子推進：比沖奔向1萬秒

盧西

伴隨著人類太空探索的野心增長，傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動機漸漸暴露出其局限性。新太空項目為了搭載更重的載荷或?qū)⑵渫扑偷礁h的地方，對動力提出了越來越高的要求。航天工程師們必須提供新的解決方案，把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(tài)。

傳統(tǒng)巨擘難以支撐

火箭發(fā)動機的工作原理說起來并不那么深奧，就是把推進劑噴射出去，形成的反作用力即為推力。相應(yīng)的，每一千克燃料產(chǎn)生一千克推力的持續(xù)時間被視為火箭的推進效率也就是比沖，單位為秒。而推進劑的動能來自于以其它形式儲存的能量，可以是化學(xué)能、電能、核能、壓力勢能等。

傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動機是利用推進劑的燃燒將儲存于推進劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱量，這部分能量在收斂擴張超音速噴管中又被轉(zhuǎn)化為動能。不同于飛機發(fā)動機，火箭發(fā)動機并不吸入空氣，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(tǒng)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(dǎo)致化學(xué)火箭發(fā)動機的噴氣速度很慢，而比沖跟噴氣速度成正線性相關(guān)，所以推進效率低。根據(jù)超聲速流體力學(xué)中理想的狀態(tài)，如果想要將推進劑的能量全部轉(zhuǎn)化為動能，理論上需要一個極寬而且極長的噴管，沒有任何工程學(xué)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(dǎo)致一枚火箭發(fā)射全重的絕大部分都是燃料，因此效率十分低下。每一次發(fā)射攜帶大量燃料，而有效載荷只有其十分之一甚至二十分之一。例如美國第一架正式服役的航天飛機“哥倫比亞號”，1981年4月12日在卡納維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射升空時，起飛總推力2800噸，起飛重量約2040噸，而即使加上68噸的軌道器，其實際業(yè)載只有一百多噸。

在近地軌道或者探月軌道這樣距離的航行中，即使飛行速度較慢，航天器可以持續(xù)飛行，因此雖然化學(xué)火箭效率低，但是也能完成工作，上述效率問題還不凸顯。但在深空探測項目中，飛行距離都是以百萬千米記起步，提高飛行速度就變得很有吸引力了。例如火星登陸的任務(wù)，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(xiàn)更高的飛行速度，快去快回，便捷性將大大提高。

顛覆型動力源

當(dāng)化學(xué)能轉(zhuǎn)化受到制約時，科學(xué)家們開始考慮其他形式。比如利用電磁場對帶電粒子直接加速，系統(tǒng)將不再受化學(xué)火箭發(fā)動機噴管幾何問題的限制，可以得到遠遠大于傳統(tǒng)化學(xué)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(fā)動機“火神”2號的噴口速度為4230米/秒，比沖為431秒。而NASA的演進氙推進器（NEXT，NASAEvolutionary Xenon Thruster），以氙氣作為推進劑的離子噴射發(fā)動機噴口速度為40千米/秒，比沖達到了4300秒，是“火神”2的10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。第一臺離子噴射發(fā)動機是由美國物理學(xué)家哈羅德·R·考夫曼1959年時在NASA制造，并成功測試。它先將電中性的汞注入電離室，同時將電子射入電離室，然后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制造汞離子，隨后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(xiàn)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。

之后基于考夫曼的設(shè)計又衍生出很多新的設(shè)計，例如歐洲Thales公司的高效等離子推進器（HEMP，HIGHEFFICIENCY PLASMA THRUSTER）發(fā)動機，它利用電離室中交替的磁場與電場來電離并加速推進劑，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(fā)動機的效率與考夫曼的設(shè)計相比有了大幅提高。

再例如霍爾效應(yīng)推進器，利用霍爾效應(yīng)將中性器（在考夫曼設(shè)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(huán)形電離室區(qū)域內(nèi)處，這些電子在電磁場的作用下加速，撞擊并電離作為推進劑的氙氣，電離態(tài)的氙再被電場加速射出。

上述的兩種設(shè)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沖擊與腐蝕。這對于提高推進器壽命來說是非常有優(yōu)勢的。

雖昂貴，但關(guān)鍵時刻力挽狂瀾

不同于傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動機，這類發(fā)動機的推進劑不進行化學(xué)反應(yīng)，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?？紤]到在進行深空探測項目的時候，探測器距離太陽非常遠，太陽能電池板的發(fā)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，這也擠占了有效載荷，限制了探測器的其它各項能力。但是幸好還有一個相比電池板更優(yōu)雅的解決方案——钚元素衰變電池。它利用钚238的衰變生成鈾234并釋放一個阿爾法粒子時產(chǎn)生的熱量來發(fā)電，雖然效率極低只有3～5%，每一千克的钚元素只能提供約30瓦功率的電能，但是它的半衰期為87.7年，因此可以長時間穩(wěn)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(wěn)定的電能供給同時也意味著可以節(jié)約儲電系統(tǒng)的重量。但美中不足的是钚238極其昂貴的，在美國其售價為每千克1000萬美元，相比之下1千克氙氣只需2800美元。有一點遺憾的是，出于安全原因，衰變電池在歐洲航天項目中的應(yīng)用受到ESA歐航局很大的限制，其中一個例子就是2004年3月2日發(fā)射的“羅塞塔號”探測器，在2014年11月12日它搭載的“菲萊”著陸器成功地在67P/楚留莫夫一格拉希門克彗星上登陸，這是人類史上第一次控制探測器于彗星上登陸。在2016年9月30日于彗星67P上墜落之前，它執(zhí)行了很多其它探測任務(wù)，但它不得不背負一個碩大無比的太陽能電池板。現(xiàn)在ESA也在評估放松對衰變電池限制的可行性。

離子推進器有諸多好處，但也有局限性，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A4紙的重量?，F(xiàn)如今，除卻深空探測任務(wù)外，它也在關(guān)鍵時刻被應(yīng)用在衛(wèi)星的軌道控制動力系統(tǒng)。因為它的比沖非常高，如果用它來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動機完成衛(wèi)星從GTO地球同步轉(zhuǎn)移軌道到GEO地球同步軌道的變軌，對于一個3500千克的衛(wèi)星，可以節(jié)約3000千克燃料重量，意味著可減輕大量重量，極大降低了發(fā)射成本。

關(guān)鍵時刻還可以挽救衛(wèi)星于危難。2001年7月12日，“阿麗亞娜”5號在發(fā)射歐航局3100千克的“阿爾忒彌斯”任務(wù)航天器時由于二級火箭發(fā)動機工作異常，衛(wèi)星沒有達到GTO預(yù)定軌道，遠地點只有17487千米，是預(yù)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14.2千克的推進劑，最終使航天器到達了預(yù)定軌道。

還有一個真實的案例，推力雖小，用好了也有效。2009年3月27日，歐航局ESA發(fā)射了一個名為GOCE的衛(wèi)星探測器來探測地球重力場和海洋環(huán)流。由于測量精度要求，它的飛行軌道低至250千米，在這個高度，空氣阻力并不能被忽視。為了克服空氣阻力，它裝備了一臺離子推進器，不間斷工作了2年卻只消耗了40千克氙。

當(dāng)然在繞地軌道范圍內(nèi)，離子推進作為主動力還有一個劣勢就是，慢。傳統(tǒng)化學(xué)火箭可以在幾個小時內(nèi)完成霍曼軌道轉(zhuǎn)移，離子推進器需要3個多月。不同于霍曼軌道轉(zhuǎn)移只需兩次引擎推進，由于離子推進器的推力有限，需要在地球同步軌道每次經(jīng)過遠地點時啟動，來提高近地點軌道高度。因為衛(wèi)星極其昂貴，對于衛(wèi)星運營商來說，這意味著這3個多月都不能盈利，延遲了正現(xiàn)金流，提高了融資成本。離子推進器和它所替代的上面級火箭發(fā)動機售價現(xiàn)在幾乎一樣，但是隨著離子推進器的進一步成熟，在可預(yù)見的將來，其成本將遠低于技術(shù)已經(jīng)十分成熟的傳統(tǒng)化學(xué)上面級火箭發(fā)動機。歐洲現(xiàn)在有公司已經(jīng)在研發(fā)極低成本離子推進器。

無可取代的優(yōu)勢

對于深空項目，離子推進器的優(yōu)勢是無與倫比的，例如火星登陸任務(wù)，如果使用化學(xué)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(nèi)完成，節(jié)省了巨大的成本，使不可能變?yōu)榭赡堋?/p>

除了作為航天器飛行主動力以外，它也是非常優(yōu)秀的航天器姿態(tài)精確控制動力。由于離子推進器的控制系統(tǒng)主要采用電磁推進方式，其推力可控制性遠遠高于傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動機。其中迄今為止最有野心的應(yīng)用計劃，首推將于2034年升空的“激光干涉空間天線”（LISA，LaserInterferometer Space Antenna），其通過激光干涉的原理來以極高精度測量信號相位，來實現(xiàn)遙遠宇宙中引力波源的探測。LlSA由3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并繞地球飛行，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(jié)果產(chǎn)生的影響。盡管它的測量距離非常大，但測量精度卻可以達到1萬億分之一米，這就對航天器姿態(tài)精確控制提出了極高的要求。而其中最有可能應(yīng)用的一種發(fā)動機為電子場致發(fā)射發(fā)動機（Field Emission ElectricPropulsion），它也為離子推進器的一種，不同于上述幾種設(shè)計原理，其推進劑為液態(tài)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(wěn)定態(tài)，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100千米/秒的速度，形成推力。由于推進劑射出速度極快，比沖將達到驚人的1萬秒。而它可以實現(xiàn)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(tài)以極高的精度進行控制。這些都是傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動機望塵莫及的。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，人們設(shè)計與制造離子推進器的水平有了長足的提高，在科研與商業(yè)領(lǐng)域都有越來越多的應(yīng)用。它們降低了商業(yè)航天的成本，并使很多曾經(jīng)被認為不可能的科研型航天項目具有了可行性。在可預(yù)見的未來，太空中將有越來越多它的身影。

責(zé)任編輯：武瑾媛