據說中國研制史上最強離子發動機 為何它是大國必爭之地

    撰文/汪俊妍  摘自《瞭望智庫》公眾號

    據港媒報導，近日中國研制出了世界上最強大的離子噴氣發動機，加速度提高了至少30%，並將成為世上首個在高環地軌道衛星上測試最新技術的國家。訊息真假未經證實，不過庫叔還是想帶你來了解下離子噴氣發動機到底是什么？

而離子噴氣發動機這么一個自帶高冷炫酷光環的高科技產品大概長這樣：

再對比一下傳統的噴氣發動機：

在外觀上就已經贏了好嗎！

別看這兩種發動機長得不太像，其實他們本質上都是“噴氣發動機”的一種，利用的是作用力和反作用力的原理。

傳統的噴氣發動機是怎么發射火箭的？原理和這只烏賊的運動方式差不多：

傳統發動機自帶大量的燃料，燃料燃燒加熱氣體，使其處於高壓，並從火箭下面的噴口噴向地面，噴出氣體產生的反作用力就能反方向推動火箭朝上運動。

可是我們不僅僅是要讓火箭上天，更重要的是讓火箭搭載上宇宙飛船，讓飛船在漫無邊際的宇宙中航行很多年，為此需要攜帶沉重的燃料，這顯然是不現實的。這就需要新型的發動機——離子噴氣發動機。

最大的不同點就在於，傳統發動機噴出的是高溫高壓氣體，而離子發動機噴出的則是高速離子流。

（圖中噴出的藍色火焰就是高速離子流）

所以高速離子流又是什么？

首先，我們要準備一些惰性氣體，常用的是氙氣。向氙氣施加少量電荷，使其電離，形成離子（所以只有使用惰性氣體才不會受電離腐蝕）：

隨后我們再對其施加強大的電壓（一般是通過霍爾效應產生），帶電離子就可以在霍爾電場中加速，以9萬英里（14.5萬公里）的時速沖出柵格、噴射出去，這就形成了反推力。

綜合起來就是這么一個推進系統：

（propellant supply:推進劑輸送；power processing:電源系統；ionization chamber:電離室，ion acceleration electrodes:離子加速電極；neutralizer:中和器；thrust:推力；ions:離子；atoms:原子；electrons：電子）

更具優勢的一點是，傳統發動機需要的是燃燒燃料來加熱氣體，而離子發動機需要的是電力，我們只要在飛船上安裝一些太陽能電池板，就可以利用源源不斷的太陽能轉化成的電能來加速離子了！

（圖中巨大的藍色翅膀就是用於接受太陽能的）

既然高速離子流的噴射速度那么快、用於加速的電能又幾乎是取之不盡用之不竭的，我們為什么還沒有淘汰傳統發動機呢？

想想看離子有多小？離子的半徑一般只有10的負十次方米！

因此，即使離子流的速度再高，它的動能也是微乎其微的。實驗表明，離子推進系統的推力大概只能吹得動一張紙……

所以我們是不可能用它將火箭發射離地的。

但當飛船已經到達了宇宙空間，要開始漫長探險旅程的時候，離子發動機就派上用場了！

因為即使加速度再小，推上個十年八年，也會達到很高的速度！既然這樣的加速無需耗費燃料，我們完全可以等待飛船在太空中慢慢完成它的科研使命。

而且正因為加速度慢，如果飛船需要精準地對軌道做一點微小調整，用離子發動機是最好不過的了。試想，你騎著自行車穿梭在擁擠的人群中，只有使用輕微的力道，才能準確無誤地在人群空隙中拐彎行進。

不過，要想維持長時間的電力供應，對太陽能電池板的要求也比較高，這也是目前限制離子發動機發展的瓶頸因素。

（圖為用核電代替太陽能的想象圖，目前還在研發階段）

回到這條重磅訊息，其實仔細看就會發現一個科學錯誤！

原報導中寫到“此款離子發動機的加速度可達30公里/秒”，而加速度的單位是“距離/時間的平方”才對！

（加速度應該是這條線的斜率，也就是m/s2）

所以這里提到的“30公里/秒”應該是離子流噴出的速度。

那么這一訊息到底是從哪兒來的呢？

報導中提到了一個科研機構，中國航天科技(000901,股吧)集團公司第五研究院502所，在他們的官網上可以查到這樣一條官方新聞：

雖然通篇沒有提到離子發動機，但霍爾電推進系統正是離子發動機的一種，從新聞內容可以判斷出，502所研制的新一代霍爾電推進技術實質上是對電場加速離子的過程進行了改進，使得其比沖更高，也就是同樣質量的氙氣能產生更大的沖量。

這意味著什么？

意味著未來我們的載人飛船可以在更短的時間內到達其他星球，這在未來的太空戰爭中無疑具有極大的戰略優勢。

而其他國家也早已踏上了應用離子發動機的探索之路：

1998年，美國發射的深空1號進行行星際任務，一直到2001年12月，深空1號的離子發動機才關閉，所攜帶氙氣僅消耗90%。探測器無線電接收機仍然保持開啟，以備將來人們再想和它進行聯系。

（圖為深空1號）

2005年，日本“隼鳥號”小行星探測器在完成了人類史上第一次從小行星上采集樣本的壯舉之后，燃料突然泄漏，與地面控制中心失去聯絡長達近2個月，據說當時項目組束手無策，甚至集體參拜神社祈禱。結果正是利用了離子發動機才得以恢復通信。

（圖為日本電影《歡迎回來，隼鳥號》）

2007年，美國發射了黎明號小行星探測器，七年之后終於到達“太陽系活化石”——谷神星的軌道，成為首個造訪矮行星的探測器。

（圖為黎明號小行星探測器）

小推力、長時間航行的現代太空航行大幕已經開啟，離子發動機如果運用在軍事領域，將可能成為未來太空戰艦和太空偵察兵的動力來源。而中國必將在這一領域顯示出自己更為強大的力量。

文章摘自《瞭望智庫》公眾號。本文資料來源：噴氣推進實驗室《瘋狂工程》視頻、中國空間技術研究院、網易軍事、知乎