離子引擎工作原理

Deep Space 1的離子引擎結(jié)構(gòu)圖，上排標(biāo)注自左向右為：推進劑貯藏裝置、電中和器，下排為：供電系統(tǒng)、電離室、離子加速電極、推力（圖片提供：Boeing Electron Dynamic Devices）。 陰極在電離室左端。

離子引擎運轉(zhuǎn)的首要條件就是制造離子氣體。這通常需要由電子槍來完成。管狀陰極發(fā)出的電子束被射入經(jīng)磁化的電離室，與充在室中的氣體原子碰撞，令原子電離成一價正離子。如上圖所示，電離室的另一端裝有一對金屬網(wǎng)，網(wǎng)上加有上千伏（Deep Space 1的所加電壓是1280伏）的電壓，可將離子加速到每秒30米的速度，并從尾部排出，形成離子束，由此產(chǎn)生推力。在這一點上，離子推進技術(shù)與傳統(tǒng)的化學(xué)推進技術(shù)一致：推力都是靠噴射物質(zhì)產(chǎn)生的，只是令物質(zhì)噴出的方式不同而已。至于電子槍的電源，一般由飛船的太陽能電池板充當(dāng)即可，這樣的結(jié)構(gòu)被稱為太陽能——電推進系統(tǒng)，至今為止采用離子引擎的幾項任務(wù)都使用此系統(tǒng)。

如果想讓離子引擎正常工作，還有個疑難問題必須解決：引擎持續(xù)噴射出正離子束，會將帶有負電的電子留在其中，這就形成了引擎中強大的負電場，嚴重阻礙了正離子的繼續(xù)排出，電子積累足夠多的話，甚至?xí)⑴懦龅恼x子再吸引回來。解決此問題的方案是在噴射離子的排氣網(wǎng)附近再安裝一支電子槍作為電中和器，持續(xù)向離子束中注入電子，既可以中和離子束，又避免了引擎過度帶電。

當(dāng)然在實際使用中，還要考慮許多具體細節(jié)，比如形成持續(xù)離子流的方法。在發(fā)展早期，NASA Lewis中心的Harold Kaufman發(fā)明了電離汞蒸汽的設(shè)備，當(dāng)時已到Marshall中心工作的Stuhlinger則研制出了利用鎢或錸制成的表面電離銫原子的方法。不過Deep Space 1和SMART-1都使用氙作為推進劑，原因除了氙的推進效率更高之外，更考慮到惰性氣體不易對探測器的設(shè)備造成損壞，比汞和銫強上很多。尤其是銫，作為活動性最強的堿金屬，其強腐蝕性對設(shè)備的耐用性和穩(wěn)定性也是個很不利的因素。

另外，還可以利用微波來電離氣體，這樣的系統(tǒng)叫做微波離子引擎。旨在探測小行星糸川并取樣返回的Hayabusa探測器即安裝了此種引擎，它亦采用氙作為推進劑，除去離子化設(shè)備之外，其他部分與普通離子引擎無甚差別，不過沒有查到其電中和器具體使用的是什么裝置，未敢定論。

各探測器的離子引擎。上左：Lewis中心設(shè)計的引擎正在JPL進行測試，藍光由帶電離子發(fā)出（圖片提供：NASA / JPL）。該引擎是Deep Space 1的引擎原型。上右：Deep Space 1的離子引擎，排氣網(wǎng)安裝在圖中央的支撐環(huán)內(nèi)（圖片提供：NASA / JPL）。下左：測試中的SMART-1引擎（圖片提供：ESA）。下右：Hayabusa的微波離子引擎，其原形機在測試時曾連續(xù)運轉(zhuǎn)了超過18000小時（圖片提供：ISAS）。

其實離子引擎的工作原理并不很復(fù)雜，之所以長期沒能投入實際使用，不僅僅是由于阿波羅登月計劃的干擾，更有新技術(shù)的可靠性問題，而各探測任務(wù)的參與者往往不希望承擔(dān)新技術(shù)帶來的不必要風(fēng)險。舉例來說，雖然理論上講可以用電子槍解決離子的中和問題，不過要檢驗這一方法的有效性，必須要排除離子束與真空區(qū)域邊界相互作用的影響，這在地球上是幾乎不可能做到的，所以其效果究竟如何一直不能定論。而作為NASA新千年計劃的第一個組成部分，Deep Space 1的主要目的之一就是測試包括離子引擎在內(nèi)的十余項新技術(shù)，科學(xué)探測反倒在其次；SMART-1和Hayabusa也為各自的機構(gòu)承擔(dān)著類似的技術(shù)測試任務(wù)，它們自然就可以較少地顧及新技術(shù)失敗的風(fēng)險了。

除去科研應(yīng)用，波音公司還研制出商用離子引擎XIPS。1997年8月發(fā)射的PAS-5是首顆采用XIPS的人造衛(wèi)星。

2001年，歐洲空間局的SMART-1探月計劃也使用了離子引擎為主推進裝置，輔以化學(xué)推進系統(tǒng)。2003年日本發(fā)射的Hayabusa則使用了與前二者稍有不同的微波離子引擎。歐空局還計劃將離子引擎技術(shù)用在未來的引力波探測計劃LISA、水星探測計劃BepiColombo以及環(huán)繞太陽的Solar Orbiter中，NASA也在考慮為將來探測木星衛(wèi)星的Prometheus探測器安裝離子引擎。

2012年10月，中國發(fā)射的首顆民用新技術(shù)試驗衛(wèi)星“實踐9號”就采用了510所研制的離子電推進系統(tǒng)。

2013年9月，美國NASA的進化氙推進器（NEXT）項目，已完成了對離子發(fā)動機超過48000小時的驅(qū)動測試。此次為期5年半的推進運行，是太空推進系統(tǒng)史上測試時間最長的一次。

2015年6月，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）宣布，小行星探測器“隼鳥2號”的離子引擎的第二次連續(xù)運轉(zhuǎn)已順利完成。此次的連續(xù)運轉(zhuǎn)是從2015年6月2日開始的，到6月7日上午0時25分，已按計劃連續(xù)運轉(zhuǎn)了102小時。

離子引擎最大的優(yōu)點當(dāng)然是高效。由于離子流的噴射速度比化學(xué)推進劑快很多，離子引擎每消耗單位質(zhì)量的燃料，可以產(chǎn)生10倍與傳統(tǒng)推進設(shè)備的推力。所以Deep Space 1只攜帶了81.5千克的氙推進劑，就可以進行20個月的飛行，這對于化學(xué)推進劑來說簡直是不可想象的。

離子引擎還可以以持久穩(wěn)定的推力連續(xù)工作數(shù)月乃至數(shù)年，如此就可以將探測器加速到很快，大大地減少到達目的地所花費的時間。如有人計算過原計劃探測Wirtanen彗星的Rosetta，如果它改裝了離子引擎，抵達彗星所需時間就會從9年減至2年半。不過離子引擎并不象化學(xué)推進引擎那樣能在短時間內(nèi)產(chǎn)生強大的推力，所以它并不適合作為運載火箭的發(fā)動機或其他需要很大加速度的場合，實際上不論是Deep Space 1、SMART-1還是Hayabusa，都是先由運載火箭發(fā)射升空后離子引擎才開始工作的。但穩(wěn)定的小推力也有自己的優(yōu)點：它能方便測控人員實時精細調(diào)整在軌衛(wèi)星或探測器的狀態(tài)，所以對于深空探測來說，離子引擎是很好的選擇。尤其是Hayabusa這樣的小天體探測器，由于目標(biāo)天體形狀不明，需要自動導(dǎo)航系統(tǒng)實時對航向進行微調(diào)，這也許就是Hayabusa采用離子引擎的原因之一。

離子引擎本身較小的質(zhì)量和體積也可以說是其一大優(yōu)點。Deep Space 1的離子引擎只有約8公斤重，直徑也只有約40厘米，如此無疑節(jié)約了探測器上有限的空間。

由于主力供電系統(tǒng)——太陽能設(shè)備的效率低下，這成了離子引擎發(fā)展的一大障礙。離子引擎主要應(yīng)用在小型探測器上，如果想進一步將其應(yīng)用在大型探測計劃中，尚需高效率供電設(shè)備（如核電設(shè)備或新型太陽能帆板）的研發(fā)。

研究人員也希望能進一步延長離子引擎的工作時間，使其可以全功率工作一年以上，以適應(yīng)未來的長途探測任務(wù)。

Deep Space 1的表現(xiàn)已充分說明了離子引擎的光明前途，正在進行中的SMART-1和Hayabusa計劃也飛行正常，進一步確認了離子引擎的威力。雖然從某種意義上說，月球探測器使用離子引擎有些浪費，不過未來眾多的彗星、小行星和內(nèi)行星探測計劃很可能就是讓離子引擎大顯身手的舞臺了。

相關(guān)專家表示，即使是離子電推進系統(tǒng)，也需要電能支持。但如果距離太陽越來越遠，這種方法已經(jīng)不能夠支撐航天器進行更遠的星際旅行。最終還是需要其他的動力來支持航天器的所有電力，在可預(yù)見的未來，核動力將是最可行的動力來源。

1998年推車的σ引擎是為準大型車開發(fā)的V6引擎。排量分為2.5?, 3?, 3.5? 三種，搭載在了雅尊XG，Dynasty，Terracan等車型上。3? σ引擎是用來代替SOHC V6引擎的產(chǎn)品。σ引擎還達到了2000年北美(尾氣排放)標(biāo)準。

2005年，首次搭載在雅科仕的λ引擎是現(xiàn)代汽車推出的新款V6引擎。λ引擎的基本排量是3.3L，主要搭載在雅科仕和歐菲萊斯等大型車上，索納塔V33也搭載了此款引擎。3.3L的引擎的最大功率是233馬力，3.8L是264馬力。

γ是為準中型車開發(fā)的新型V4引擎。排量分為1.4和1.6，兩個排量的最大功率分別是104馬力和121馬力。此引擎搭載在了伊蘭特和賽拉圖上。引擎的開發(fā)過程歷時5年6個月，總投入達到了3,530億韓元。