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(dòng)機(jī)漸漸暴露出其局限性。新太空項(xiàng)目為了搭載更重的載荷或?qū)⑵渫扑偷礁h(yuǎn)的地方，對(duì)動(dòng)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(cè)器以更快的速度送到更遠(yuǎn)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(dòng)機(jī)的工作原理說起來并不那么深?yuàn)W，就是把推進(jìn)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(shí)間被視為火箭的推進(jìn)效率也就是比沖，單位為秒。而推進(jìn)劑的動(dòng)能來自于以其它形式儲(chǔ)存的能量，可以是化學(xué)能、電能、核能、壓力勢(shì)能等。

傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是利用推進(jìn)劑的燃燒將儲(chǔ)存于推進(jìn)劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱量，這部分能量在收斂擴(kuò)張超音速噴管中又被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。不同于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)榛鸺詭У娜剂虾脱趸瘎┤紵茚尫诺哪芰亢苡邢?，?dǎo)致化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(jìn)劑的能量全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，理論上需要一個(gè)極寬而且極長的噴管，沒有任何工程學(xué)實(shí)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(jī)“哥倫比亞號(hào)”，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(shí)，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(shí)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(cè)項(xiàng)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(shí)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(dòng)力源

當(dāng)化學(xué)能轉(zhuǎn)化受到制約時(shí)，科學(xué)家們開始考慮其他形式。比如利用電磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子直接加速，系統(tǒng)將不再受化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管幾何問題的限制，可以得到遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)例子，“阿麗亞娜5號(hào)”的一級(jí)主火箭發(fā)動(dòng)機(jī)“火神”2號(hào)的噴口速度為4230米/秒，比沖為431秒。而NASA的演進(jìn)氙推進(jìn)器（NEXT，NASAEvolutionary Xenon Thruster），以氙氣作為推進(jìn)劑的離子噴射發(fā)動(dòng)機(jī)噴口速度為40千米/秒，比沖達(dá)到了4300秒，是“火神”2的10倍！

其工作原理大致如下：先將推進(jìn)劑電離，再利用電場(chǎng)將離子加速噴出形成推力，同時(shí)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(huì)被航天器吸引回來。第一臺(tái)離子噴射發(fā)動(dòng)機(jī)是由美國物理學(xué)家哈羅德·R·考夫曼1959年時(shí)在NASA制造，并成功測(cè)試。它先將電中性的汞注入電離室，同時(shí)將電子射入電離室，然后電離室周圍的電磁線圈將對(duì)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(chǎng)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(jìn)器中使用的推進(jìn)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(jì)又衍生出很多新的設(shè)計(jì)，例如歐洲Thales公司的高效等離子推進(jìn)器（HEMP，HIGHEFFICIENCY PLASMA THRUSTER）發(fā)動(dòng)機(jī)，它利用電離室中交替的磁場(chǎng)與電場(chǎng)來電離并加速推進(jìn)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(dòng)機(jī)的效率與考夫曼的設(shè)計(jì)相比有了大幅提高。

再例如霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，利用霍爾效應(yīng)將中性器（在考夫曼設(shè)計(jì)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(chǎng)的作用下加速，撞擊并電離作為推進(jìn)劑的氙氣，電離態(tài)的氙再被電場(chǎng)加速射出。

上述的兩種設(shè)計(jì)都避免了使用電極格柵來對(duì)離子進(jìn)行加速，從而避免了高速離子對(duì)格柵的沖擊與腐蝕。這對(duì)于提高推進(jìn)器壽命來說是非常有優(yōu)勢(shì)的。

雖昂貴，但關(guān)鍵時(shí)刻力挽狂瀾

不同于傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這類發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑不進(jìn)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(jìn)行深空探測(cè)項(xiàng)目的時(shí)候，探測(cè)器距離太陽非常遠(yuǎn)，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(cè)器的其它各項(xiàng)能力。但是幸好還有一個(gè)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(gè)阿爾法粒子時(shí)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(shí)間穩(wěn)定的供給電能，不受外界影響，著名的“好奇號(hào)”火星探測(cè)器也將它作為電能來源。

穩(wěn)定的電能供給同時(shí)也意味著可以節(jié)約儲(chǔ)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(jià)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(diǎn)遺憾的是，出于安全原因，衰變電池在歐洲航天項(xiàng)目中的應(yīng)用受到ESA歐航局很大的限制，其中一個(gè)例子就是2004年3月2日發(fā)射的“羅塞塔號(hào)”探測(cè)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(cè)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(cè)任務(wù)，但它不得不背負(fù)一個(gè)碩大無比的太陽能電池板?，F(xiàn)在ESA也在評(píng)估放松對(duì)衰變電池限制的可行性。

離子推進(jìn)器有諸多好處，但也有局限性，因?yàn)楹教炱鞯碾姽β视邢?，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(cè)任務(wù)外，它也在關(guān)鍵時(shí)刻被應(yīng)用在衛(wèi)星的軌道控制動(dòng)力系統(tǒng)。因?yàn)樗谋葲_非常高，如果用它來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)于一個(gè)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(shí)刻還可以挽救衛(wèi)星于危難。2001年7月12日，“阿麗亞娜”5號(hào)在發(fā)射歐航局3100千克的“阿爾忒彌斯”任務(wù)航天器時(shí)由于二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常，衛(wèi)星沒有達(dá)到GTO預(yù)定軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)只有17487千米，是預(yù)定高度的一半。這時(shí)它搭載的RITA-10離子推進(jìn)器力挽狂瀾，在7年中累計(jì)工作7500小時(shí)，消耗了14.2千克的推進(jìn)劑，最終使航天器到達(dá)了預(yù)定軌道。

還有一個(gè)真實(shí)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(gè)名為GOCE的衛(wèi)星探測(cè)器來探測(cè)地球重力場(chǎng)和海洋環(huán)流。由于測(cè)量精度要求，它的飛行軌道低至250千米，在這個(gè)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(tái)離子推進(jìn)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(jìn)作為主動(dòng)力還有一個(gè)劣勢(shì)就是，慢。傳統(tǒng)化學(xué)火箭可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成霍曼軌道轉(zhuǎn)移，離子推進(jìn)器需要3個(gè)多月。不同于霍曼軌道轉(zhuǎn)移只需兩次引擎推進(jìn)，由于離子推進(jìn)器的推力有限，需要在地球同步軌道每次經(jīng)過遠(yuǎn)地點(diǎn)時(shí)啟動(dòng)，來提高近地點(diǎn)軌道高度。因?yàn)樾l(wèi)星極其昂貴，對(duì)于衛(wèi)星運(yùn)營商來說，這意味著這3個(gè)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(jìn)器和它所替代的上面級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)售價(jià)現(xiàn)在幾乎一樣，但是隨著離子推進(jìn)器的進(jìn)一步成熟，在可預(yù)見的將來，其成本將遠(yuǎn)低于技術(shù)已經(jīng)十分成熟的傳統(tǒng)化學(xué)上面級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。歐洲現(xiàn)在有公司已經(jīng)在研發(fā)極低成本離子推進(jìn)器。

無可取代的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于深空項(xiàng)目，離子推進(jìn)器的優(yōu)勢(shì)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(gè)月的飛行時(shí)間，而離子推進(jìn)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(dòng)力以外，它也是非常優(yōu)秀的航天器姿態(tài)精確控制動(dòng)力。由于離子推進(jìn)器的控制系統(tǒng)主要采用電磁推進(jìn)方式，其推力可控制性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。其中迄今為止最有野心的應(yīng)用計(jì)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(cè)量信號(hào)相位，來實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)宇宙中引力波源的探測(cè)。LlSA由3個(gè)相同的航天器組成，它們形成一個(gè)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(gè)天線與地球的連線，和它與太陽的連線全程保持一個(gè)特定角度來減少地球引力對(duì)其測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的影響。盡管它的測(cè)量距離非常大，但測(cè)量精度卻可以達(dá)到1萬億分之一米，這就對(duì)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(dòng)機(jī)為電子場(chǎng)致發(fā)射發(fā)動(dòng)機(jī)（Field Emission ElectricPropulsion），它也為離子推進(jìn)器的一種，不同于上述幾種設(shè)計(jì)原理，其推進(jìn)劑為液態(tài)的金屬銫。它在一個(gè)高壓的電場(chǎng)下（通常為一萬伏），表面被激化為不穩(wěn)定態(tài)，形成一個(gè)泰勒錐。從泰勒錐尖部射出的離子射流被電場(chǎng)加速到100千米/秒的速度，形成推力。由于推進(jìn)劑射出速度極快，比沖將達(dá)到驚人的1萬秒。而它可以實(shí)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(duì)航天器的飛行姿態(tài)以極高的精度進(jìn)行控制。這些都是傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)望塵莫及的。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，人們?cè)O(shè)計(jì)與制造離子推進(jìn)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(rèn)為不可能的科研型航天項(xiàng)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