离子发动机和它的“大块头”元素推进剂

文章经授权转载自：赛先生

作者:李研

几千年来，面对着浩瀚苍穹、熠熠星辰，人类始终充满好奇。摆脱地球引力的羁绊，飞向太空，也是人类长久以来的梦想，但是直到20世纪初，科学指引的太空探索方案才被提出。

1903年，俄国人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovski，1857-1935）撰写的《利用反作用力设施探索宇宙空间》，第一次从理论上论证了火箭的作用，并预言利用液氧和液氢做燃料的多级火箭可以达到脱离地球引力的速度。这本著作深刻影响了整个欧洲和美国的航天事业。之后，人类正是按照齐奥尔科夫斯基的设想，借助化学火箭，实现了发射卫星，甚至登陆月球的梦想。 

然而，如果我们想去月球之外更遥远的深空旅行，看似强大的化学火箭发动机却有些力不从心了。火箭发动机的爆发力强劲，但从效率上讲却是非常低的，需要消耗大量助燃氧化剂和燃料。例如，1967年发射的土星5号，起飞重量达3408吨，最后送上月球的部分却只有45吨，剩下的质量几乎都用来装燃料了。由于太空中补充燃料是个难题，动力系统的局限确实阻碍了人类进一步探索太空的脚步。

同样是在20世纪初，俄罗斯的齐奥尔科夫斯基和美国（液体）火箭之父罗伯特·戈达德（Robert Hutchings Goddard，1882-1945）分别提出空间电推进的概念。基于这一设想，冷战期间美国和苏联独立开发出了不依赖化学燃烧，而是靠电力运行的离子推进器技术，并逐渐将其投入实际使用。  

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（左）与罗伯特·戈达德（右），图片来源：wikipedia/fineart

离子推进器，又称离子发动机，可以向外高速喷射等离子体，进而形成推力。尽管其柔和且充满神秘感的尾焰颇有些科幻电影中星际飞船的意象，但实际上目前大多数离子发动机产生的推力还不到1牛顿，只相当于举起一个鸡蛋的力气。

一台工作中的氙离子推进器，图片来源：Bruce Murray Space Image Library

航天器进入太空后，受到的引力和空气阻力都非常微弱，所以即使再小的推力，只要持之以恒的加速，也能产生十分可观的效果。另一方面，推力小更有利于精准调控，特别适用于那些精度要求高的卫星和空间站。因此，离子推进器的核心优势在于喷射速度高，推进剂消耗量小，这恰好弥补了化学火箭爆发力强却后劲不足的缺陷。

化学火箭与离子推进器的性能比较，左为“土星5号”运载火箭，右为使用离子推进器的“深空一号”航天器

我国是继美国、俄罗斯和欧洲之后，又一个掌握空间电推进技术的国家。2021年4月，中国空间站天和核心舱成功发射入轨，在核心舱的尾部就配置了四台离子推进器中性能优异、技术先进的霍尔推进器。它可以帮助空间站规避危险，调整姿态。霍尔推进器的动力来源于电能，而空间站可以依靠太阳能电池板不断获取电力，相比于化学推进装置，每年可以节省几十吨靠飞船往返天地之间运输的燃料。

中国空间站天和核心舱，尾部配置了离子推进器（黄色框）。图片来源：Shymkent.info

• 离子推进器的工作原理

化学火箭中需要使用大量液态氢或碳氢化合物等作为燃料，那么，离子推进器中使用的燃料又是什么呢？回答这个问题之前，我们需要先了解一下离子推进器工作的原理。

在离子推进器中，注入电离室的推进剂会受到电子枪的轰击。这时，结合得最不牢固的那个电子就会和原子核“分道扬镳”，而失去一个电子的原子核就变成了正离子，并通过后面栅板产生的电场加速喷出，从而产生推力。出口附近的电子枪，向喷出的正离子束注入电子，使其变成电中性，又恢复成原子状态。

经典离子推进器的工作原理示意图，图片来源：Wikipedia

在传统离子推进器基础上，霍尔推进器利用磁场限制了电子的轴向运动，设计更为精巧，喷口也从一面筛子变成了一个环形结构，但基本思路都是通过喷射离子而获得推力。

苏联研制的SPT-140型霍尔推进器，图片来源：NASA/JPL-Caltech（左），Maxar Technologies（右）

• 哪种推进剂更好

区别于化学火箭的助燃剂与燃料，理论上，我们可以将任何能被离子化的物质用作推进剂。2018年由麻省理工学院科研人员成功试飞的世界上第一架“离子驱动”的飞机，便通过超高压电源转换器制造的4万伏高压，只利用空气中的氮气和氧气产生的“离子风“，就能够带动飞机飞行。

MIT 科研人员设计制造的第一架“离子风飞机”，图片来源：参考文献[5]

然而，太空中并没有空气，而且如何获得足够的能量维持整个航天器运转也是个大问题。所以无论是燃料还是电力，对于在太空运行的推进器都需要精打细算。

基于离子推进器的工作原理，我们首先期望推进剂是比较容易被电离的物质。元素的电离难易程度，可以通过电离能（Ionization Energy）来比较。第一电离能是指基态的气态原子失去一个电子变为气态阳离子，克服核电荷对电子的引力所需要的能量。电离能低意味着在同样功率的离子推进器中可以有更多的原子转换为离子。其次，考虑到动量的计算公式，产生的离子质量越大，同样速度喷出时可以提供的反作用力也越大。因此，从推进效率的角度考虑，理想推进剂具有较高的“质量/电离能比“，即质量大但电离能低的物质。

第一电离能与原子序数之间的关系图，图片来源：Wikimedia Commons

从元素电离能的变化趋势中我们可以发现，随着原子序数的递增，元素的第一电离能呈现周期性变化。同一族的元素从上至下，伴随着原子半径增大，外层电子受原子核的束缚也就变弱，电离能有减小的趋势。因此，那些原子序数大、容易电离的“大块头”元素便成为科学家特别关注的对象。

在自然界存在的“大块头”元素中，铯（Cs）的第一电离能非常小，只有3.89eV ，而汞（Hg）在常温下是液态金属，更容易获得气态原子注入电离室。于是，在早期为星际航行设计的离子推进器中，科学家曾尝试利用铯和汞作为推进剂。然而，金属铯十分活泼，极易发生爆炸，而汞的腐蚀性和毒性都较强。离子推进技术的核心竞争力在于可以在太空长时间的运行，从安全稳定的角度考虑，这两种元素显然并不理想，后期也并没有得到广泛的应用。由于同样的原因，那些原子序数虽大，但更加不稳定的放射性元素也就被排除在外了。

第一个搭载离子发动机的航天器SERT-1，带有一个8cm直径的铯离子推进器和一个10 cm直径的汞离子推进器，图片来源：NASA

综合考虑安全性和推进效率等因素，人们把目光逐渐投向稀有气体中的一个“大块头”元素——氙（Xe）。作为一种惰性气体，原子序数54的氙位于元素周期表的右下角，化学性质很不活泼，不容易与其它物质发生反应，所以不会对电子设备、传感器等造成影响。而在各种惰性气体中，氙的原子序数较大，是稀有气体中相对容易电离的。于是，氙气已成为目前离子推进器中使用最广泛的燃料，在多个卫星和太空探测器中都能看到氙离子发动机的身影。

元素周期表中的稀有气体（Noble Gases），氙（Xe）之后的稀有气体元素不再具有稳定同位素

• 氙的替代

然而，氙气储量十分稀少，且价格自然十分昂贵。几十年前，放在航天发射的各项巨大花费中，还不是非常突出，但伴随着近年来航天科技的迅猛发展和发射成本的不断降低，寻找比氙更经济，甚至实现更高冲量的推进剂成为了一项刚需。

一个比较容易想到的替代元素，是只比氙小一个周期的稀有气体氪（Kr）。这虽然是一个“退而求其次”的选择，但空气中氪气含量是氙气的十倍，制备价格仅是后者的六分之一，所以国内外有很多研究机构对离子发动机使用氪气作为推进剂进行了大量的实验研究。自2018年以来，氪气在商业卫星应用上备受青睐。比如马斯克的星链计划，卫星所用的霍尔推进器就是以氪为燃料。

“星链计划”将在距地550 千米的72条轨道上各发射22颗人造卫星（共1584颗），图片来源：wikimedia commons

近年来，另一个备受关注的“大块头”元素是氙的“邻居”——碘元素。根据元素电离能的变化规律，它比氙更容易电离，所需能量要少10%。同时，碘在地球上储量丰富，价格远比稀有气体更加低廉。在常温常压下，碘单质以带光泽的紫黑色固体状态存在，但只要稍微加热，碘就会直接从固体升华为气体，这无疑既节省了宝贵的存储空间，又省去了高压储存液化氙的成本。

当然，碘作为一种推进剂材料也并非完美无缺。它最大的缺点是具有一定的腐蚀性，会与很多金属发生反应。碘与氙另一个不同在于，碘通常由两个碘原子组成的分子存在，虽然理论上有可能产生更大的推力，但这也使电离过程变得复杂。多原子分子在电离过程中有可能解离得到原子态或者高活性自由基，而并非正离子，导致能量损失，这也是科学家最初选择单原子气体作燃料的重要原因。研究团队需要对电离强度进行优化调整，以实现高效的离子化。

在前期地面测试的基础上，2020年11月，法国ThrustMe公司科研团队开发了一个以碘为推进剂的小型卫星，并成功实现了在轨运行。该卫星重20公斤，通过中国长征六号火箭发射升空。整个推进器装置非常紧凑，所占空间相当于一个边长为10 厘米的立方体，质量仅为1.2公斤。针对碘是固体的特性，研究团队设计了一套新的推进剂加热供应系统，同时用陶瓷或聚合物等惰性材料来保护推进系统的暴露部件。实际运行结果显示，这种碘离子推进器可以获得比以氙为燃料的推进器更优异的性能。

ThrustMe公司开发的碘电推进器NPT30-I2的外观（图片来源：www.thrustme.fr）和内部结构（图片来源：参考文献[8]）

• 展 望

齐奥尔科夫斯基曾说过："地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。" 

爆发力强劲的化学火箭使人类古老的“飞天“梦想得以实现，而“行稳致远”的电推动离子发动机，则显著降低了航天的成本，也使很多之前看似不可能的太空探索项目有了可行性。积跬步以至千里，人类探索太空的历史注定是一场充满勇气和挑战的漫长征途。相信伴随着航天技术的不断进步，太空旅行对未来人类将不再是遥不可及的幻想。

参考文献：

[1] 于达仁，刘辉，丁永杰，宁中喜，魏立秋。《空间电推进原理》，哈尔滨工业大学出版社。

[2] 吴汉基，蒋远大，张志远。电推进技术的应用与发展趋势，推进技术，2003, (05) 2-9.

[3] 张敏。霍尔电推进技术——促成10年后去火星，国际太空，2016,(12): 42-45

[4] Cho, M.G., Jung, G. & Sung, HG. Performance Parameter Analysis of a Hall Effect Thruster With Modified Bohm Parameter Model. Int. J. Aeronaut. Space Sci. 21, 1028–1036 (2020)

[5] Xu, H., He, Y., Strobel, K.L. et al. Flight of an aeroplane with solid-state propulsion. Nature 563, 532–535 (2018). 

[6] Michael R. Nakles et al. A Performance Comparison of Xenon and Krypton, The 32nd International Electric Propulsion Conference, Weisbaden, Germany, 2011

[7] Patrick Dietz et al. Molecular propellants for ion thrusters, 2019, Plasma Sources Sci. Technol. 28 084001.

[8] Rafalskyi, D., Martínez, J.M., Habl, L. et al. In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system. Nature 599, 411–415 (2021). 

[9] 眼见为实：你有机会进行星际旅行吗？离子引擎，引力弹弓还有曲率飞船，哪项技术能让你实现星际旅行。https://www.youtube.com/watch?v=llU9wAxNF2Y&t=659s

制版｜Livan

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编辑：紫苏