離子發(fā)動(dòng)機(jī)

提到離子發(fā)動(dòng)機(jī)，就不能不提美國(guó)的深空1號(hào)探測(cè)器。雖然離子發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)去在衛(wèi)星上經(jīng)常使用，但都是作為輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，用于姿態(tài)調(diào)整或者軌道維持;而深空1號(hào)第一次將離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主發(fā)動(dòng)機(jī)使用。深空1號(hào)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)也是迄今為止將電能向推力轉(zhuǎn)化效率最高的，在太空中運(yùn)行壽命最長(zhǎng)的，也是比沖量最高的，比沖量超過(guò)3,000秒。

這種離子發(fā)動(dòng)機(jī)追根溯源可以推到上個(gè)世紀(jì)的60年代，但到現(xiàn)在仍可以滿足美國(guó)宇航局的兩個(gè)目標(biāo)，也就是大大減少旅程時(shí)間和初重，以低成本更快地完成行星際任務(wù)。而1998年10月24日發(fā)射的深空1號(hào)探測(cè)器的任務(wù)除了測(cè)試12項(xiàng)先進(jìn)科技(其中包括作為主發(fā)動(dòng)機(jī)的離子發(fā)動(dòng)機(jī))，就是為了完成探測(cè)小行星Braille和遙遠(yuǎn)的彗星Borrelly這樣的行星際任務(wù)。在圓滿完成任務(wù)后，深空1號(hào)于2001年12月18日?qǐng)?bào)廢。

離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作的核心就是對(duì)噴出的氣體進(jìn)行離子化，這一般是以電子轟擊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)加熱和電場(chǎng)加速的方式將電子從陰極向陽(yáng)極發(fā)射并進(jìn)入放電室，氣體推進(jìn) 劑氙同樣被注入放電室，并在放電室施加磁場(chǎng)，增加氙原子和電子碰撞的可能性。碰撞后，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?；钴S并且移動(dòng)得非?？臁?/p>

位于放電室后邊的高壓柵極將最后產(chǎn)生推力，方式是制造靜電場(chǎng)，對(duì)離子生成拉力讓它們向柵極方向加速，當(dāng)它們通過(guò)后，速度將達(dá)到每秒31.5公里，并被集中成一個(gè)離子束最終從飛船尾部噴出去，深空1號(hào)尾部噴射出的藍(lán)色離子火焰。

需要注意的是，在最后階段一個(gè)中和器收集多余的電子并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(fù)電荷。

深空1號(hào)探測(cè)器是美國(guó)宇航局新千年項(xiàng)目的第一艘飛船，它的離子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量是3,300秒，每天消耗100克氙推進(jìn)劑，在發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，每過(guò)一天時(shí)速就增加25~32公里。深空1號(hào)由德耳塔火箭送上太空，然后由離子發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)。最初發(fā)動(dòng)機(jī)只開動(dòng)了4小時(shí)就突然停機(jī)，但后來(lái)恢復(fù)了運(yùn)轉(zhuǎn)并從此一直順利運(yùn)行，其最終的工作時(shí)間超過(guò)14,000小時(shí)，超過(guò)了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的總和。而最初發(fā)射深空1號(hào)時(shí)，只計(jì)劃運(yùn)轉(zhuǎn)200個(gè)小時(shí)以證明這種離子發(fā)動(dòng)機(jī)是可行的。美國(guó)宇航局在地球上實(shí)驗(yàn)室中，和深空1號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的離子發(fā)動(dòng)機(jī)甚至持續(xù)工作了更長(zhǎng)的時(shí)間。

深空1號(hào)離子發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的代表，但使用電來(lái)產(chǎn)生離子漿并進(jìn)一步推動(dòng)飛船的具體方式還有好多:

利用軸向電場(chǎng)(axial electric field)來(lái)加速離子。一個(gè)輻射磁場(chǎng)和軸向電場(chǎng)相互作用來(lái)產(chǎn)生方位角霍爾電流(azimuthal Hall current)，這個(gè)電流部分限制電子，讓放電室中電離化效率比較高。這是個(gè)在蘇聯(lián)發(fā)展成熟的技術(shù)，一般用于衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定。脈沖離子漿推進(jìn)器(Pulsed plasma thrusters，PPT) 這種方式利用電流弧光，在固體推進(jìn)劑(幾乎總是用特氟隆)中產(chǎn)生快速而可靠的脈 沖燃燒。PPT用于姿態(tài)控制效果很好，不過(guò)它是利用電來(lái)推進(jìn)的系統(tǒng)中效率最低者之一，推進(jìn)效率不到10%。磁致離子漿動(dòng)力推進(jìn)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(chǎng)和電場(chǎng)共同對(duì)帶電粒子施加的力)來(lái)推動(dòng)離子。MPD技術(shù)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中被開發(fā)出來(lái)，但對(duì)它的商業(yè)興趣很低，盡管在理論上它能產(chǎn)生極高的比沖量，因?yàn)樗虸on、Hall以及PPT方式不同，不使用電級(jí)，使用電級(jí)對(duì)離子進(jìn)行加速的方式會(huì)使噴出的加速流被位于出口的電子源中性化，從而減低效率。MPD可以穩(wěn)定運(yùn)行，也可以脈沖運(yùn)行?？勺儽葲_磁致離子漿火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket，VASIMR: 《北京青年報(bào)》2000年的一篇文章《打造星際飛船新引擎》把這個(gè)方式大大吹噓了一番，認(rèn)為是未來(lái)的方向。其實(shí)這種系統(tǒng)只是介于高推力低比沖的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和低推力高比沖的離子發(fā)動(dòng)機(jī)之間的類型，可以在這兩者之間調(diào)整參數(shù)。它也不用電極，而是在發(fā)動(dòng)機(jī)前室使用電波來(lái)對(duì)氫推進(jìn)劑進(jìn)行離子化，然后在中室用磁場(chǎng)讓其按自然頻率繞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，并使用無(wú)線電按照同一頻率轟擊，讓溫度上升到1千萬(wàn)K，再?gòu)暮笫野研D(zhuǎn)變成軸向運(yùn)動(dòng)并釋放出去。

最后，在離子化方面，日本設(shè)想用微波的方式來(lái)進(jìn)行，用微波來(lái)?yè)艋钔七M(jìn)劑氣體的電子，之后就是和深空1號(hào)一樣把離子聚集成束并以靜電場(chǎng)加速噴射出去。美國(guó)宇航局也采用了日本人的辦法測(cè)試了新的微波離子發(fā)動(dòng)機(jī)，并得出結(jié)論認(rèn)為這種方式可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作得更久。

上述各離子發(fā)動(dòng)機(jī)的共同特點(diǎn)都是使用電能，利用電來(lái)直接電離，或者用電來(lái)制造磁場(chǎng)、電波、微波等，然后用它們來(lái)對(duì)推進(jìn)劑進(jìn)行離子化。所以它們也被稱為電動(dòng)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。日本"隼鳥"號(hào)探測(cè)器(The Hayabusa Spacecraft) 多災(zāi)多難"不死鳥"是對(duì)它最好的說(shuō)明，該探測(cè)器裝備有化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)及離子發(fā)動(dòng)機(jī)，兩者曾經(jīng)一度出故障導(dǎo)致僅靠慣性飛行，后離子發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)火成功，于2010年6月14日順利回收，成為在人類歷史上首次在月球以外的天體著陸并回歸地球的飛行器。是離子發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)勢(shì)的力證。

不過(guò)就目前來(lái)說(shuō)，還沒有將離子發(fā)動(dòng)機(jī)用于有人駕駛的飛船的計(jì)劃，而是將繼續(xù)用于探測(cè)器。近期配備離子發(fā)動(dòng)機(jī)的探測(cè)器的任務(wù)包括到彗星采樣，探測(cè)土星環(huán)，以及在木星的衛(wèi)星歐羅巴上著陸。在這些遠(yuǎn)程飛行中離子發(fā)動(dòng)機(jī)將比常規(guī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更快，例如，在2011年的Rosetta彗星任務(wù)中如果選擇配備離子發(fā)動(dòng)機(jī)的探測(cè)器，可以在大約5年左右的時(shí)間內(nèi)取樣并返回，而用傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，單到達(dá)那顆彗星就需要花費(fèi)9年時(shí)間。

目前的離子發(fā)動(dòng)機(jī)的最大缺點(diǎn)是推重比太小，其推力只相當(dāng)于一張紙對(duì)于你的手的壓力，顯然這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法讓飛船和探測(cè)器脫離地球的重力場(chǎng)，也無(wú)法攜帶大的負(fù)載。但這個(gè)缺點(diǎn)卻被這種發(fā)動(dòng)機(jī)在太空中的表現(xiàn)彌補(bǔ)了，由于它優(yōu)越的比沖量，它最終能把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在身后。換句話說(shuō)，就是盡管傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有更高的推重比，但是卻以很低的比沖量把燃料在很短的時(shí)間內(nèi)消耗光;而現(xiàn)在的離子發(fā)動(dòng)機(jī)能持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)幾月甚至數(shù)年，這樣，盡管推力小，但能通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累達(dá)到更高的總沖量(impulse，等于力的平均值與它的作用時(shí)間相乘的結(jié)果)，并最終達(dá)到更高的速度。

離子發(fā)動(dòng)機(jī)超長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)工作固然是優(yōu)點(diǎn)，可以逐漸積累到很高的速度，但這同樣是缺點(diǎn)，因?yàn)檫@要求超長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)電力供應(yīng)。這要求攜帶一個(gè)電力供應(yīng)裝置，目前的方式是使用一個(gè)巨大的太陽(yáng)能電池板，不僅加重重量，而且隨著探測(cè)器遠(yuǎn)離太陽(yáng)，其效率也不斷下降。

可以說(shuō)，目前限制離子發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的瓶頸因素就是電力，由于目前的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)缺乏效率，離子發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)也就只能在低電能的基礎(chǔ)上進(jìn)行。如果我們想往外圍的深空繼續(xù)進(jìn)發(fā)，或者運(yùn)送更大的載重，就必須解決這個(gè)問(wèn)題，獲得更大的電能，至少應(yīng)該達(dá)到以兆瓦計(jì)算的 規(guī)模，而目前的深空1號(hào)最多僅僅能產(chǎn)生2.5千瓦，其中能提供給離子發(fā)動(dòng)機(jī)的是2.1千瓦。

對(duì)太陽(yáng)能電力系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)以增加太陽(yáng)能的利用效率，目前唯一可預(yù)期的方式是使用納米技術(shù)，但并不知道需要多久才能發(fā)展出有用的技術(shù)。所以對(duì)于近期來(lái)說(shuō)，唯一的選擇就是使用核電系統(tǒng)，目前的技術(shù)也能讓船載核電系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)百千瓦的電能，而且在不遠(yuǎn)的將來(lái)能發(fā)展到兆瓦的級(jí)別。

在核電系統(tǒng)中，來(lái)自原子反應(yīng)堆的熱量可以通過(guò)熱電轉(zhuǎn)化方式或者熱離子轉(zhuǎn)化方式變成電能，這種辦法在上世紀(jì)60年代就被看作是可以讓人類開拓太陽(yáng)系的技術(shù)，而這個(gè)方式也有可能提供一個(gè)低成本的系統(tǒng)用于太空商業(yè)化。

核電系統(tǒng)比太陽(yáng)能電力系統(tǒng)產(chǎn)生更高的電力，從而可以讓離子發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更高的推力，更高的比沖量。雖然推力仍舊比不上傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那么高，但比沖量方面的優(yōu)勢(shì)則很明顯，傳統(tǒng)的化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖量是大約400秒上下，深空1號(hào)通過(guò)太陽(yáng)能電力系統(tǒng)獲得的比沖量在3,300秒左右，而利用核電系統(tǒng)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)可以達(dá)到13,000秒。

由于電力充足，核電系統(tǒng)可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)和儀器分享和調(diào)配電力。當(dāng)儀器不需要電力的時(shí)候，可以把全部的電力都送給發(fā)動(dòng)機(jī)，但需要讀取、檢測(cè)、發(fā)送信息時(shí)，可以關(guān)掉發(fā)動(dòng)機(jī)，把電力都調(diào)給儀器。這就提供了節(jié)約大量重量的可能性。而最大的好處自然是核電系統(tǒng)即使遠(yuǎn)離太陽(yáng)也不影響工作效率，從而能在深空工作。

建造VASIMR就是張福林在20世紀(jì)70年代提出的主意。它能同時(shí)具有化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和離子發(fā)動(dòng)機(jī)的能力。傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擁有高推力、低比沖，離子發(fā)動(dòng)機(jī)則是低推力、高比沖。而VASIMR，它能在高推力、低比沖和低推力、高比沖之間的自由轉(zhuǎn)換，在這兩者之間調(diào)整參數(shù)，所以被稱作"可變比沖"。

張福林一直致力于該項(xiàng)目研究，但之后的20多年里他忙于作為宇航員7次進(jìn)入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了Ad Astra火箭公司，試驗(yàn)場(chǎng)就在他的出生地哥斯達(dá)黎加附近的航空中心。

突破性成果在2 0 0 8年到來(lái)，這就是VX-200等離子引擎測(cè)試臺(tái)，它利用氬氣作為推進(jìn)劑的第一階段達(dá)到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統(tǒng)的等離子發(fā)動(dòng)機(jī):比沖在3000~30000秒之間隨意轉(zhuǎn)換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)67%。張福林說(shuō):"用它飛到火星只需39天，這樣能節(jié)省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長(zhǎng)時(shí)間的宇宙射線輻射。"

VX-200分為三部分:在前部單元里，首先是把噴出的氣體電離生成等離子體，類似于在蒸汽機(jī)里燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線(helicon RF antennas)來(lái)實(shí)現(xiàn);中部單元充當(dāng)放大器，它用電磁波的能量進(jìn)一步把等離子體加熱到幾百萬(wàn)度;而尾部單元的磁性噴嘴可將等離子體的能量轉(zhuǎn)化為噴氣口的速度，從而產(chǎn)生反向的推力。

張福林解釋說(shuō)，VX-200使用了新的算法來(lái)控制和穩(wěn)定等離子體，主要是控制超導(dǎo)磁場(chǎng)。通常來(lái)說(shuō)，火箭發(fā)射時(shí)噴射氣體溫度越高，比沖量就越高。為最大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當(dāng)于太陽(yáng)中心的溫度。但是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射嘴所能承受的溫度有限。噴嘴溫度太高，用什么材料是一個(gè)問(wèn)題。和核聚變裝置一樣，解決的辦法是使用磁場(chǎng)。在強(qiáng)磁場(chǎng)，比如超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)下，等離子體會(huì)以固定頻率旋轉(zhuǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的中部單元在磁場(chǎng)控制下讓其按自然頻率繞磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度迅速上升之后，再?gòu)奈膊繂卧研D(zhuǎn)變成軸向運(yùn)動(dòng)并釋放出去。所有這些極端變化的環(huán)境都要求對(duì)磁場(chǎng)和電磁波精準(zhǔn)的控制，這是新的控制算法的功勞。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型機(jī)已經(jīng)開始了試驗(yàn)，它能實(shí)現(xiàn)從近地軌道到月球軌道的變軌。

在科幻小說(shuō)中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動(dòng)力。但在現(xiàn)實(shí)中，火箭推進(jìn)器的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

相對(duì)于裸露在外的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱，化學(xué)火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)看上去很小，但它的胃口很大。"吃得多，干活的效率卻不高。"張福林說(shuō)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)吞噬掉的海量能源，只在提供短期動(dòng)力方面有效--儲(chǔ)存的燃料很快用完，推進(jìn)器馬上被當(dāng)成垃圾扔掉?；瘜W(xué)火箭的大部分燃料被用來(lái)擺脫地球引力，剩余的一點(diǎn)則被用來(lái)推動(dòng)火箭的"太空滑行"。火箭飛往目的地，僅僅是依靠慣性。對(duì)于星際飛行來(lái)說(shuō)，這種引擎顯然力不從心。

"土星5號(hào)"就是典型代表。它的第一級(jí)裝有2075噸液氧煤油推進(jìn)劑。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，它可以在2分34秒內(nèi)全部"喝"完這些"飲料"。高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，卻僅僅夠?qū)?7噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產(chǎn)生的3500噸推力中，很大一部分被用來(lái)"拖"起火箭自身和2000多噸燃料。所以它的"比沖量"并不高，只有300多秒，表明了它的推進(jìn)效率的低下。這就是為什么要將一個(gè)質(zhì)量很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大火箭的原因。

等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，或者俗稱的"離子推進(jìn)器"采取了一種和化學(xué)火箭完全不同的設(shè)計(jì)思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過(guò)磁場(chǎng)，來(lái)反向驅(qū)動(dòng)航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。"等離子火箭在一定時(shí)間內(nèi)提供的推力相對(duì)較少，然后一旦進(jìn)入太空，它們就會(huì)像有順風(fēng)助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過(guò)化學(xué)火箭。"張福林說(shuō)。

實(shí)際上，迄今已有多個(gè)太空探測(cè)任務(wù)采用等離子發(fā)動(dòng)機(jī)，如美國(guó)宇航局探測(cè)小行星的"黎明號(hào)"(Dawn)探測(cè)器和日本探測(cè)彗星的"隼鳥號(hào)"(Hayabusa)探測(cè)器，而歐洲空間局撞擊月球的SMART-1探測(cè)器的目的之一，就是驗(yàn)證如何利用離子推進(jìn)技術(shù)把未來(lái)的探測(cè)器送入繞水星運(yùn)行的軌道。

這些已經(jīng)實(shí)用的離子發(fā)動(dòng)機(jī)都很迷你，多屬于輔助發(fā)動(dòng)機(jī)，推力和加速度都很小，要使航天器達(dá)到預(yù)定的飛行速度，用時(shí)極長(zhǎng)-SMART-1的等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)提供的加速度只有0.2毫米/秒方，推力只相當(dāng)于一張紙對(duì)于手掌的壓力。這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)，帶上一只螞蟻都無(wú)法脫離地球的重力場(chǎng)。

但它們?cè)谔罩械谋憩F(xiàn)能夠彌補(bǔ)這個(gè)缺陷。優(yōu)越的比沖量，也就是能用更少的燃料提供更多的動(dòng)力，使它最終能把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在身后。"1998年發(fā)射的深空1號(hào)(Deep Space 1)，由德爾塔火箭送上太空，然后由離子發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)。它的離子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量相當(dāng)于液體火箭的10倍。每天消耗100克氙推進(jìn)劑，在發(fā)動(dòng)機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，每過(guò)一天時(shí)速就增加25~32米。它最終的工作時(shí)間超過(guò)14000小時(shí)，超過(guò)了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的總和。"張福林介紹道。

正是這一原因，使等離子發(fā)動(dòng)機(jī)成為航天界新的寵兒。等離子發(fā)動(dòng)機(jī)中的新秀VASIMR被美國(guó)航空航天研究所(AIAA)列為2009年十大航天新興項(xiàng)目。NASA的新任掌門人查爾斯·博爾登(Charles Bolden)也非?？春肰ASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供經(jīng)費(fèi)，希望他們能夠完成自己的承諾--讓VASIMR在2012年或2013年能夠安裝到國(guó)際空間站上進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試。