離子發(fā)動機評價

離子發(fā)動機超長時間的持續(xù)工作固然是優(yōu)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(xù)電力供應(yīng)。這要求攜帶一個電力供應(yīng)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(fā)動機發(fā)展的瓶頸因素就是電力，由于目前的太陽能電力系統(tǒng)缺乏效率，離子發(fā)動機的設(shè)計也就只能在低電能的基礎(chǔ)上進行。如果我們想往外圍的深空繼續(xù)進發(fā)，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(yīng)該達到以兆瓦計算的 規(guī)模，而目前的深空1號最多僅僅能產(chǎn)生2.5千瓦，其中能提供給離子發(fā)動機的是2.1千瓦。

對太陽能電力系統(tǒng)進行改進以增加太陽能的利用效率，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)。所以對于近期來說，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，而且在不遠的將來能發(fā)展到兆瓦的級別。

在核電系統(tǒng)中，來自原子反應(yīng)堆的熱量可以通過熱電轉(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60年代就被看作是可以讓人類開拓太陽系的技術(shù)，而這個方式也有可能提供一個低成本的系統(tǒng)用于太空商業(yè)化。

核電系統(tǒng)比太陽能電力系統(tǒng)產(chǎn)生更高的電力，從而可以讓離子發(fā)動機獲得更高的推力，更高的比沖量。雖然推力仍舊比不上傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機那么高，但比沖量方面的優(yōu)勢則很明顯，傳統(tǒng)的化學(xué)燃料火箭發(fā)動機的比沖量是大約400秒上下，深空1號通過太陽能電力系統(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)動機可以達到13,000秒。

由于電力充足，核電系統(tǒng)可以讓發(fā)動機和儀器分享和調(diào)配電力。當(dāng)儀器不需要電力的時候，可以把全部的電力都送給發(fā)動機，但需要讀取、檢測、發(fā)送信息時，可以關(guān)掉發(fā)動機，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)即使遠離太陽也不影響工作效率，從而能在深空工作。

提到離子發(fā)動機，就不能不提美國的深空1號探測器。雖然離子發(fā)動機過去在衛(wèi)星上經(jīng)常使用，但都是作為輔助發(fā)動機，用于姿態(tài)調(diào)整或者軌道維持;而深空1號第一次將離子發(fā)動機作為主發(fā)動機使用。深空1號的離子發(fā)動機也是迄今為止將電能向推力轉(zhuǎn)化效率最高的，在太空中運行壽命最長的，也是比沖量最高的，比沖量超過3,000秒。

這種離子發(fā)動機追根溯源可以推到上個世紀的60年代，但到現(xiàn)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(wù)。而1998年10月24日發(fā)射的深空1號探測器的任務(wù)除了測試12項先進科技(其中包括作為主發(fā)動機的離子發(fā)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(wù)。在圓滿完成任務(wù)后，深空1號于2001年12月18日報廢。

離子發(fā)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(xiàn)。通過加熱和電場加速的方式將電子從陰極向陽極發(fā)射并進入放電室，氣體推進 劑氙同樣被注入放電室，并在放電室施加磁場，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并且移動得非?？?。

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，對離子生成拉力讓它們向柵極方向加速，當(dāng)它們通過后，速度將達到每秒31.5公里，并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，在最后階段一個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(fā)動機產(chǎn)生0.09牛頓的推力，比沖量是3,300秒，每天消耗100克氙推進劑，在發(fā)動機全速運轉(zhuǎn)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，然后由離子發(fā)動機推動。最初發(fā)動機只開動了4小時就突然停機，但后來恢復(fù)了運轉(zhuǎn)并從此一直順利運行，其最終的工作時間超過14,000小時，超過了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動機工作時間的總和。而最初發(fā)射深空1號時，只計劃運轉(zhuǎn)200個小時以證明這種離子發(fā)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(fā)動機一樣的離子發(fā)動機甚至持續(xù)工作了更長的時間。

深空1號離子發(fā)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(fā)動機的代表，但使用電來產(chǎn)生離子漿并進一步推動飛船的具體方式還有好多:

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(chǎn)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(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(chǎn)生快速而可靠的脈 沖燃燒。PPT用于姿態(tài)控制效果很好，不過它是利用電來推進的系統(tǒng)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(shù)已經(jīng)在實驗室中被開發(fā)出來，但對它的商業(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于出口的電子源中性化，從而減低效率。MPD可以穩(wěn)定運行，也可以脈沖運行?？勺儽葲_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(tǒng)只是介于高推力低比沖的傳統(tǒng)發(fā)動機和低推力高比沖的離子發(fā)動機之間的類型，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)動機前室使用電波來對氫推進劑進行離子化，然后在中室用磁場讓其按自然頻率繞磁場旋轉(zhuǎn)，并使用無線電按照同一頻率轟擊，讓溫度上升到1千萬K，再從后室把旋轉(zhuǎn)變成軸向運動并釋放出去。

最后，在離子化方面，日本設(shè)想用微波的方式來進行，用微波來擊活推進劑氣體的電子，之后就是和深空1號一樣把離子聚集成束并以靜電場加速噴射出去。美國宇航局也采用了日本人的辦法測試了新的微波離子發(fā)動機，并得出結(jié)論認為這種方式可以讓發(fā)動機工作得更久。

上述各離子發(fā)動機的共同特點都是使用電能，利用電來直接電離，或者用電來制造磁場、電波、微波等，然后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(fā)動機。日本"隼鳥"號探測器(The Hayabusa Spacecraft) 多災(zāi)多難"不死鳥"是對它最好的說明，該探測器裝備有化學(xué)發(fā)動機及離子發(fā)動機，兩者曾經(jīng)一度出故障導(dǎo)致僅靠慣性飛行，后離子發(fā)動機重點火成功，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)動機優(yōu)勢的力證。

目前的離子發(fā)動機的最大缺點是推重比太小，其推力只相當(dāng)于一張紙對于你的手的壓力，顯然這樣的發(fā)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(fā)動機在太空中的表現(xiàn)彌補了，由于它優(yōu)越的比沖量，它最終能把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠遠拋在身后。換句話說，就是盡管傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機有更高的推重比，但是卻以很低的比沖量把燃料在很短的時間內(nèi)消耗光;而現(xiàn)在的離子發(fā)動機能持續(xù)運轉(zhuǎn)幾月甚至數(shù)年，這樣，盡管推力小，但能通過長時間的積累達到更高的總沖量(impulse，等于力的平均值與它的作用時間相乘的結(jié)果)，并最終達到更高的速度。

不過就目前來說，還沒有將離子發(fā)動機用于有人駕駛的飛船的計劃，而是將繼續(xù)用于探測器。近期配備離子發(fā)動機的探測器的任務(wù)包括到彗星采樣，探測土星環(huán)，以及在木星的衛(wèi)星歐羅巴上著陸。在這些遠程飛行中離子發(fā)動機將比常規(guī)火箭發(fā)動機更快，例如，在2011年的Rosetta彗星任務(wù)中如果選擇配備離子發(fā)動機的探測器，可以在大約5年左右的時間內(nèi)取樣并返回，而用傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機，單到達那顆彗星就需要花費9年時間。

建造VASIMR就是張福林在20世紀70年代提出的主意。它能同時具有化學(xué)火箭發(fā)動機和離子發(fā)動機的能力。傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動機擁有高推力、低比沖，離子發(fā)動機則是低推力、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目研究，但之后的20多年里他忙于作為宇航員7次進入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了Ad Astra火箭公司，試驗場就在他的出生地哥斯達黎加附近的航空中心。

突破性成果在2 0 0 8年到來，這就是VX-200等離子引擎測試臺，它利用氬氣作為推進劑的第一階段達到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統(tǒng)的等離子發(fā)動機: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67%。張福林說:"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，宇航員也能擺脫長時間的宇宙射線輻射。"

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，類似于在蒸汽機里燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線(helicon RF antennas)來實現(xiàn);中部單元充當(dāng)放大器，它用電磁波的能量進一步把等離子體加熱到幾百萬度;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，VX-200使用了新的算法來控制和穩(wěn)定等離子體，主要是控制超導(dǎo)磁場。通常來說，火箭發(fā)射時噴射氣體溫度越高，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)于太陽中心的溫度。但是火箭發(fā)動機的噴射嘴所能承受的溫度有限。噴嘴溫度太高，用什么材料是一個問題。和核聚變裝置一樣，解決的辦法是使用磁場。在強磁場，比如超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場下，等離子體會以固定頻率旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機的中部單元在磁場控制下讓其按自然頻率繞磁場旋轉(zhuǎn)，當(dāng)溫度迅速上升之后，再從尾部單元把旋轉(zhuǎn)變成軸向運動并釋放出去。所有這些極端變化的環(huán)境都要求對磁場和電磁波精準的控制，這是新的控制算法的功勞。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型機已經(jīng)開始了試驗，它能實現(xiàn)從近地軌道到月球軌道的變軌。

在科幻小說中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動力。但在現(xiàn)實中，火箭推進器的發(fā)動機技術(shù)，根本無法實現(xiàn)這一點。

相對于裸露在外的推進劑儲箱，化學(xué)火箭的發(fā)動機看上去很小，但它的胃口很大。"吃得多，干活的效率卻不高。"張福林說。這種發(fā)動機吞噬掉的海量能源，只在提供短期動力方面有效--儲存的燃料很快用完，推進器馬上被當(dāng)成垃圾扔掉。化學(xué)火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩余的一點則被用來推動火箭的"太空滑行"?；鸺w往目的地，僅僅是依靠慣性。對于星際飛行來說，這種引擎顯然力不從心。

"土星5號"就是典型代表。它的第一級裝有2075噸液氧煤油推進劑。一旦發(fā)動機點火，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"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，表明了它的推進效率的低下。這就是為什么要將一個質(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)動機，或者俗稱的"離子推進器"采取了一種和化學(xué)火箭完全不同的設(shè)計思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅(qū)動航天器，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間內(nèi)提供的推力相對較少，然后一旦進入太空，它們就會像有順風(fēng)助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過化學(xué)火箭。"張福林說。

實際上，迄今已有多個太空探測任務(wù)采用等離子發(fā)動機，如美國宇航局探測小行星的"黎明號"(Dawn)探測器和日本探測彗星的"隼鳥號"(Hayabusa)探測器，而歐洲空間局撞擊月球的SMART-1探測器的目的之一，就是驗證如何利用離子推進技術(shù)把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。

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

但它們在太空中的表現(xiàn)能夠彌補這個缺陷。優(yōu)越的比沖量，也就是能用更少的燃料提供更多的動力，使它最終能把傳統(tǒng)的化學(xué)火箭遠遠拋在身后。"1998年發(fā)射的深空1號(Deep Space 1)，由德爾塔火箭送上太空，然后由離子發(fā)動機推動。它的離子發(fā)動機產(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克氙推進劑，在發(fā)動機全速運轉(zhuǎn)的情況下，每過一天時速就增加25~32米。它最終的工作時間超過14000小時，超過了此前所有傳統(tǒng)火箭發(fā)動機工作時間的總和。"張福林介紹道。

正是這一原因，使等離子發(fā)動機成為航天界新的寵兒。等離子發(fā)動機中的新秀VASIMR被美國航空航天研究所(AIAA)列為2009年十大航天新興項目。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，希望他們能夠完成自己的承諾--讓VASIMR在2012年或2013年能夠安裝到國際空間站上進行點火測試。