离子发动机新突破！碘动力航天器完成在轨测试，成本降低百倍不止

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火箭作为利用反冲力推进，用以发射人造卫星、宇宙飞船、或装上弹头制成导弹的飞行装置，其实有着悠久的历史。例如早在三国时期，就开始使用引火物附在箭头上，然后射到敌人身上引起焚烧。

而现代火箭则是自身携带全部推进剂（通常是固体和液态化学燃料），然后在点火后通过火箭发动机喷射工质（工作介质），产生反作用力向前推进的飞行器。它不依赖外界工质产生推力，就可以在稠密大气层内，以及大气层外飞行。

然而这玩意虽然推力很大，却有个致命的缺点，那就是需要消耗太多燃料了。例如人类历史上最大的火箭“土星五号”，起飞重量达3000多吨，最后送上月球的部分只有45吨，剩下的质量几乎都是燃料。

除此之外，随着卫星的工作寿命越来越长，为保持轨道定点位置，卫星所需的推进剂也越来越多，占用了太多有效载荷。再加上小卫星的兴起，使得人们对低消耗，高推进的推进器也提出了更急切的需求。

但重要的是，根据动量守恒原理，化学火箭发动机是依靠尾部喷射工质获得反推力运动的。所以要想减少燃料消耗又不降低推力，那就只能以更快的速度喷射工质才行。可人们发现，依靠化学燃烧的方式，10km/s已经是火箭喷出物的速度“天花板”，再难满足我们对航天探索的需求。

上图：离子推进器

好消息是随着科技的发展，现在又有了一种新的推进器，可以完美的解决这个问题，它就是离子推进器。其原理就是用电子轰击原子产生离子，然后通过电场加速离子，向后喷出获得推力，就像是粒子加速器的缩小版。目前，粒子加速器能产生人类所能达到的最高速度——299,792,455米/秒，也就是光速的99.9999991%，只比光速慢了3米/秒。

离子推进器的体积小巧，甚至可以和家用扫地机器人差不多，但喷射速度却是化学燃烧推进器的十倍。也就是说，只要消耗十分之一质量的工质，就可以获得和化学火箭一样的推力。但它有个缺点，即高速运动的离子会和加速用的电极栅板碰撞，不但影响效率，还会产生腐蚀，因此用不了多久，电极板就报废了。

上图：离子推进器，正面是一个金属网栅，又称网格离子推进器。

因此，更高效的离子推进器——霍尔推进器诞生了。据悉，目前中国空间站核心舱就配备了4台霍尔推进器，它们可以从核心舱宽大的太阳能翼获得充足的电能。在跟神舟十二号对接前，就是靠它来完成维持轨道的工作。

上图：霍尔推进器，与网格离子推进器有所不同，它的正面是由陶瓷组成的凹槽。

霍尔推进器的离子产生区和加速区不再是分开的，而是将喷口处的负极板取消，做成敞口结构，这样既能达到加速离子的效果，又不会碰到极板，避免了腐蚀问题。同时利用霍尔效应，即通过磁场控制电子在电场中的运动，让它们老老实实地跟原子相撞，形成离子再喷出去，大幅度提高了离子的生成率。所以又被称为霍尔推进器。

上图：霍尔推进器原理图

一些较旧的离子推进器设计使用汞推进剂。然而，汞是有毒的，容易污染航天器。因此目前的离子推进器，所使用的比较理想的工质，主要就是氪（Kr）和氙（Xe），因为它们相对于其他物质而言，更容易与电子发生碰撞并电离，其次是电离后不易产生腐蚀性物质。

不过它们二者也各有不同。其中氙比氪更容易碰撞电离，所以当前许多离子推进器的设计都要求使用氙气，这也使得氙气在全球范围内供不应求且价格昂贵。有数据显示，在2021年氙气的价格约为3,000美元/公斤，因此氪就比氙更便宜，更丰富。自2018年以来，在商业应用上，氪气更加受到青睐。比如马斯克的星链卫星，所用的霍尔推进器工质就是氪。

但氙、氪的存在还是太过稀少、而且需要专用加压设备才能存储，成本还是太高。因此为保证航天业的长期可持续发展，有必要寻找一种替代推进剂。好在还有很多其他原子都可以用做推进器的燃料，比如锌、氮、碘、镁、铋等。另外，不同的原子喷出来的颜色也是不一样的。

拿碘来说，它是蓝绿色的，且价格更加低廉、产量丰富，而且还可以固态储存。碘在标准情况下以带光泽的紫黑色固体状态存在，但只要在较低压力下加热碘，它就会直接从固体升华为气体，这使得碘成为离子推进器完美高效的燃料。并且碘在地面测试中已经能达到比氙气更高的效率。

上图：在真空室中点火的碘电推进系统

而根据2021年11月17日发表于《自然》杂志的研究显示，碘第一次被用于星际空间，是为在2020年11月6日，发射的CubeSat卫星上的，NPT30-I2网格离子推进器提供燃料。该卫星重20公斤，由法国ThrustMe公司完成在轨运行实验，通过长征六号火箭发射升空，处于高度约480公里的圆形太阳同步轨道。并且最近的飞行模型将集成到中国卫星公司天仪研究院(Spacety)，运营的北航空事卫星一号中。

上图：碘电推进的布局

Spacety是一家小型卫星制造商，也是中国最早的私人航天公司之一。为小型卫星提供了全方位的服务，包括制造，有效载荷托管，发射和在轨运行。其与法国航天推进公司ThrustMe合作，测试了用于立方体卫星和小型卫星的轻便，廉价的固体离子推进器。

而此次碘动力航天器完成在轨测试表明，由于碘可以在转化为气体之前以固体形式储存，不需要笨重的高压气罐，使得基于碘的系统还可以以比当前的卫星更小、更简单的形式建造。结果表明，碘已经显示出比氙气更高的电离效率。

上图：碘电推进示意图，固体碘（深绿色区域）位于等离子体源管（蓝色区域）上游的储罐中。加热升华成低压气体（浅绿色区域）进入源管（绿色箭头）。由射频天线产生等离子体（紫色区域），最后由网格加速。废热被传导到碘罐和结构框架（蓝色实线箭头）或辐射掉（蓝色虚线箭头）。

总而言之，碘电推系统不需要高纯度碘。而已知纯度为

99.5%

的推进剂总成本约为

60

美元，碘相关硬件的额外成本低于

200

美元。推进系统认证成本略低于

4,000

美元。与相关研究人员开发的使用氙气推进剂的推进系统比较，同样质量的推进剂，氙气的成本则是

1275

美元，而高压钛罐、流量控制阀、管道和传感器的硬件成本比碘高约

100

倍。

而预计在未来十年内，将有数以万计的卫星发射到轨道上，因此如果我们要继续探索和分析我们周围的地球和宇宙，那就必须找到更高效的推进器。而使用像碘这样的固体推进剂，能使卫星更便宜、更高效和更紧凑。使得卫星在部署、避开彼此以及在它们的使用寿命结束时进行处置方面，具有多种潜在好处。

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