抛弃化学燃料，超越美国空间站，我国空间站离子电推究竟有多牛？

在电影《黑衣人3》中，讲述了地球上的外星人管理特工J和K的故事，其中有许多奇思妙想，让人拍手称赞。电影里出现了一个造型十分奇特的单人飞行载具——一个超大的喷气发动机背包。

喷气发动机背包构想模型

这个飞行器几乎有一辆巴士那么大，但却只能载一个人飞行。这部电影上映于2012年，在当时，即便是想象中的故事，都必须要那么大的飞行器才能搭载一个人上天。

这个飞行器的灵感肯定是受到现实的影响才产生的，因为现实中想要将什么东西送到天上去，真的必须做出那么大的飞行器才行，因为飞行器不够大，化学燃料装不下。

很多人其实都知道化学燃料是航空航天业发展的众多桎梏之一，要将卫星送到天上的火箭单个都重达几千吨，但这其中有90%的重量都来自于化学燃料。

火箭升空

可以说如果人类继续使用化学燃料作为主要推进方式，那么人类将无法向更加遥远的宇宙探索，因为化学燃料真的太重了。

科学家们为了打破化学燃料的限制，不停地找寻更好的推进加速方法，这其中离子电推，就是一种十分优秀的选择。

什么是离子电推？

离子电推又名离子推进器、霍尔推进器。离子推进器的原理其实十分简单，那就是使用电子枪发射电子，电子撞击气体室中的气体原子，将原子外层的电子撞飞，制造出带正电的离子，然后使用带负电的电场加速这个正离子。

电子枪电路原理图

被电场加速的正离子气体，速度可以达到10~80公里每秒，被高速喷射离去的离子会为推进器提供一定的推力，但由于被加速后的正离子气体状态已经十分接近没有质量的光子，它的质量十分轻，所以即便加速度很夸张，但是在低质量的前提下，只能提供很小的反推力。

离子推进器的原理其实与手电筒很像，手电筒将电能转化为光能，光子快速从灯泡中射出，带走电池中的质量。只不过光子是一种没有任何质量的粒子，因此不会对手电筒产生任何推动力，而被加速的正离子气体却拥有质量，因此能持续提供反作用力。

X3离子推进器

一直以来，离子推进器能提供的推进力只能以毫牛为单位计算。一般我们计算力度的单位都是N牛，在地球上，提起一千克的物体，就需要9.8牛，而一千毫牛才等于一牛。简单来说，这个离子推进器的推进力大约相当于提起几克重物体的力量。

离子推进器的优势

看到这里，大家是否觉得离子推进器实在是弱爆了，只有那么一点点推动力，简直没有存在的意义。

事实上，离子推进器的确无法完全替代化学燃料的作用，因为化学燃料可以通过燃烧将上千吨的重量在几秒钟之内加速到几公里每秒的速度。

化学燃料的威力

在其实目前我们能够制造的所有推进器，都属于工质推进器。所谓工质，就是要将物质加速后，将其抛离，获得相应的反作用力，因此只要燃烧的效率更强，抛射燃料的速度更快，飞船就能获得更快的加速度。

为了获得巨大的推进力，所以燃料的重量也是十分重要的一项指标，但是随着技术的发展，燃料的重量渐渐反过来影响加速了。想要得到更多的加速度，就必须抛射燃烧更多的燃料，但燃料本身的重量却让加速度被拉低。

火箭内部结构

目前火箭的发射都是使用高压喷射的方式将燃料喷射出来，然后再辅以高效氧化剂加速燃烧，这种方法基本已经达到化学燃料的最高瓶颈了，单次火焰喷射产生的加速度可以达到几公里每秒，但是受限于燃料本身的重量，无法将所有加速度都作用到飞船上，而且化学燃料的加速度往往只能持续几分钟，再之后必然会出现后继无力的情况。

离子推进器虽然推力很小，但它的优势也十分明显，它的燃料重量很轻，工质加速效率很高，简单来说，就是使用很轻的气体储备，就能获得一段持续时间很长的加速度。

飞船将会在很长一段时间内不停地累加速度，如果时间允许，在太空没有空气阻力的环境中，离子推进器可以将飞船加速到气体喷射速度的上限，也就是80公里每秒。

飞船气体喷射

推力小是离子推进器的致命弱点，这意味着它永远无法将一个相对静止的物体加速，也就是它永远都无法用于火箭起飞之类的作用，将飞船送到太空中，还是需要依靠简单粗暴的化学燃料。

当飞船已经在太空中之后，离子推进器的作用才能正式体现出来，因为宇宙中飞船失去重力的桎梏，即便是毫牛级的推力也能推动飞船，然后在离子推进器的持续运转中为飞船源源不断地提供加速度。

NASA的离子推进器

因此离子推进器与化学燃料推进器其实属于互补的状态，因为在太空环境中，如果用化学燃料就还需要额外补充氧气助燃才能推动，而且化学燃料的重量也不适合将其送上太空。

中国空间站的离子电推有多牛？

目前离子推进器已经在众多卫星和飞船上使用，主要的作用就是提供持续的加速度，避免因为速度下降飞船被地球的重力拉近大气层中，除此之外，离子推进器还能为飞船提供调整方向的速度。

除了作用在飞船上，离子推进器还可以用作宇航员的出舱飞行背包上，离子推进器的高比冲特点，意味着只需要携带很少的燃料就能持续提供加速到很长时间。

宇航员出舱飞行包

我们中国的天宫空间站核心舱也使用了离子推进器，它的发动机是LHT-100型霍尔电推，这是我国兰州空间技术物理研究所自主研发改进的离子推进器。

“天宫一号”结构图

这是一个可以持续运转十年以上的推进器，持续推力达到80毫牛，每年消耗的燃料只有一百公斤以下，这个燃料消耗量是国际空间站的二十分之一。

LHT-100型霍尔电推

虽然离子推进器的技术早在几十年前就已经出现，美国、日本、苏联等航天器都有对其应用，但是相比起来，我们中国空间站的粒子电推技术发扬了我们国家的传统技能，别人没有的我们要有，别人有的我们要做得更好。

比起其他国家的离子推进器，我们国家的离子电推是世界上第一个装载在载人航空器上的离子推进器。

中国离子电推

载人空间站移动时需要用到的能量远超无人卫星，原本预计需要两吨化学燃料才足够空间站使用的，但是在使用中国离子电推之后，仅仅需要400千克重的能量。

这让我们的中国空间站升空成本大幅下降，要知道每一公斤的升空成本就起码要将近20万人民币，离子电推为空间站省了1.6吨的重量，相当于节省了3.2亿人民币。

更为重要的是，我们是世界上仅次于美国，第二个实现牛级离子推进器的国家，虽然空间站上使用的LHT-100型霍尔电推依旧是毫牛级推进器，但是这次应用更多的是中国离子电推技术研发成果的意义。

LHT-100型霍尔电推

拥有高比冲优势的离子电推，可以让中国空间站在太空中运行更长的时间，超越美国空间站。粒子电推主要使用电能推动，这可以通过太阳能发电板轻松补充，抛弃化学燃料。

另外，空间站的燃料是需要通过货运飞船进行补给的，使用原本使用化学燃料时就需要定期派货运飞船上天补充燃料，而使用离子电推的好处就是几十年的运行都不需要再额外补充燃料。

未来的星际航行方式

对于星际探索来说，速度就是人类最大的桎梏，目前最快的人类造物仍旧是在两百多亿公里以外的旅行者一号，而它的速度也只有17公里每秒而已，相当于一万六千分之一的光速，以这个速度，即便是距离地球最近的比邻星，我们也需要将近五万年的时间才能抵达。

旅行者一号

而旅行者一号加速到第三宇宙速度，本身就已经十分困难，由于飞船上无法有效依靠化学燃料提供推进力，因此它是依靠木星和土星的引力进行加速，才勉强达到第三宇宙速度的。

但是如果使用离子推进器，再配合上星球的引力弹弓效应，那么我们的飞行器将可以达到更快的速度，最高可能会达到八十公里每秒的速度，相对于旅行者一号已经快了四倍多。

“引力弹弓效应”

但是依靠这个速度依旧是无法很好地探索太空，因此离子推进器其实也只能在探索太阳系周边的空间起到作用，再远的地方，就需要达到更快的速度。

• 核能脉冲推进

这是一种十分极端的加速方法，简单来说就是利用核爆的冲击力为飞船加速。美国国防部曾经建立了“猎户计划”，认真实验了这个方案的可行性，目的就是设计出一款达到百分之一光速的飞船出来。

在设想中，这个飞船需要有一个巨大的激波吸收器，这样才能获得核爆产生的冲击力，然后飞船还需要有一个辐射防护罩，因为核裂变时往往会产生高放射性的辐射，这对人类往往是致命的。但是这个计划最终还是没有实现，因为以人类现在的技术，还无法将核裂变反应堆的能量都作用在飞船之上。

核反应堆体积惊人

• 核聚变火箭

核聚变是一种更优于核裂变的核能利用方式，目前人类能制造出来的核聚变反应只有一次性的氢弹，而可控核聚变正是全人类努力发展的一项技术。

利用核聚变就能持续产生强大的热能，借助这个能量就能为飞船持续提供加速度，拥有核聚变发动机的飞船，将有可能加速到20%光速。

但是现阶段的研究中，核聚变的产生装置，是一个很像高压锅的真空装置，主要依产生超强的电磁场，将上亿度高温的核聚变反应与物质隔离开来，产生电磁场的线圈十分沉重且巨大，不然无法产生足够强大的磁场。

核聚变反应图示

简单来说，现阶段研究的可控核聚变还没成功，即便成功了核聚变的装置也会十分沉重，以现在人类的技术还无法将如此沉重的装置装在飞船。

但核聚变飞船是一个相对可行的宇宙飞船加速方案，预计在五十年后，就有希望看到可控核聚变的出现。

结语

离子推进器的研发，证明了即便推力微小，在太空中也能发挥出巨大的作用。太空环境与地球是完全不同的，并不能依靠地面上的常理去考虑如何发展太空。

时不我待，只争朝夕

未来，我国的离子推进器还会越来越完善，对太空的探索也将越来越深入，中国航天乃至整个中国工业，努力奋进的成果不会令人失望！