中国空间站离子电推优势何在？抛弃化学燃料，将超越美国空间站？

总结

相信大家都看过火箭发射的场景。很多小朋友第一次看到火箭发射的直播，都会说“火箭和天猴一模一样”。孩子的话。其实也不无道理。变天猴作为一种鞭炮，要想飞上天，就必须依靠里面装的火药。同理，火箭要想飞出地球，就必须依靠足够的燃料来推进。

在当前的全球竞争中，最激烈的领域是能源竞争，因为工业技术发展和深空探索都需要源源不断的能源供应。

目前，用于帮助火箭进入太空和卫星、空间站正常运行的能源，大部分是化学燃料，但化学燃料仍然太重，燃烧速度快，不具备循环利用的特性，所以需要经常补给。

火箭升空

每次加油的费用都是一笔“巨款”。作为太空中永久的“居所”，空间站自然需要大量的燃料来维持自身的推进力。就像我们的地球一样，房子修好之后，以后几十年都不用操心。如果空间站不及时提前介入，其轨道高度将不断降低。

如果不小心坠落太低，与地球大气层相撞，空间站可能真的“毁站”，成为划过天际的流星。中国的空间站已经放弃了重而昂贵的传统化学燃料，转而采用离子电推进技术。在这项技术的支持下，我国空间站的动力性能将超越美国空间站。那么这个“离子电推技术”究竟是个神奇的东西，它有哪些优势呢？

中国空间站结构示意图

常见化学燃料

我们都知道要将巨型“火箭”推出地球。需要让燃料放出大量的热量，从而减轻火箭本身的重量，使火箭能够快速飞入既定轨道。太空使用的燃料通常由多种化学物质组成，按形态可分为液体燃料和固体燃料两大类。

常用的液体燃料是液氢。人们将它与液氧混合点燃，发现它能产生约350的比冲。早在1960年，液氢就成为太空探索的主要燃料。例如，著名的阿波罗飞船在起飞时也是依靠液氢作为燃料的。

氢气的能量密度非常高，是普通汽油的三倍，也就是说燃料的重量可以减轻2/3，这对火箭飞行无疑是极为有利的。

液体火箭和固体火箭有很大的区别

固体火箭燃料往往是多种物质的混合物，如二聚酸二异氰酸酯、硼氢化钠等衍生化学品都可以用来制作固体燃料原料。例如，锂、铍、镁、铝等元素在燃烧时会放出大量的热量。

哥伦比亚号航天飞机使用金属铝粉和高氯酸铵的混合物作为高性能复合固体火箭燃料。

化学燃料虽然释放能量大，燃烧时间也比较长，但随着航天技术的进一步提高和探索需要，这些燃料的缺点也逐渐暴露出来。化学燃料不仅占用空间大，而且增加了发射器本身的重量。

空间站的正常运行往往需要定期从地面运送“货船”来运送燃料，而且空间站的大小不像我们的地面住宅，想建多大就建多大，所以备用燃料的放置也占据了很大的空间。

加注火箭燃料的过程

什么是离子推力？离子电推技术恰好可以解决化学燃料的问题，让我们来看看神奇的“离子电推”是什么，问题的探索需要循序渐进。

离子电推进技术应用于太空探索时也称为“离子电推进系统”。流体在加速下产生推力。它的排气速度往往很高，达到每秒几十甚至上百公里，对设备起到推进作用。

离子电推进系统的关键部分是离子推进器，也可以称为离子发动机。通过拆解这个推进器，我们可以看到它的工作原理。它主要是利用正负电荷组成的离子来运作。

离子电推进系统广泛应用于航天领域

物质进入后会被电解成离子，然后离子被电能加速。当离子移动得足够快时，可以形成离子流并从尾部排出。

但其实离子产生的力不会在一瞬间很大。例如美国宇航局太空一号上安装的离子推进器，其推进力只有0.1牛顿左右，但很稳定，可以保持长期运行推力。像我们上面介绍的这些化学燃料，虽然在点燃的时候可以释放出大量的能量，从而产生强大的推进力，但是维持时间比较短，在飞行过程中无法保持喷射状态。

所以离子电推可以成为新能源系统，尤其是卫星、空间站等设备设施。他们不再需要太强的推进力将自己推远，而是需要动力将自己固定在轨道上，以保证设备的安全和正常运行。

离子电推进系统原理示意图

能够长期稳定推进的离子电推进技术恰好满足了这一需求。根据离子产生方式的不同，离子推动可分为三种类型。

第一种是利用低电源电压的工作介质与金属接触产生离子。这被称为接触离子推进器。第二种是利用直流电直接轰击工作介质使其电离。这种类型称为电子轰击离子推进器。第三种是利用高频放电，所以也叫射频离子推进器。

目前主要研究和利用二类电子轰击推进，如我国空间技术研究院兰州物理研究所、美国休斯电子公司研究实验室、日本航空航天局正在研究这种类型。

火箭上安装的离子电推进系统

中国空间站的离子电推进到底有多厉害？

一般来说，离子推进器具有比冲高、能耗低、推力小的特点，但与化学原料相比，重量更重，体积小，广泛应用于太空探索领域，主要作用是推进。离子推进器的性能主要由比冲、放电电压和工质利用率三部分决定。以供参考。

早在2014年2月16日，我国航天科技集团五院510研究所就表示，经过他们自主研发，我国首个200毫米离子电推进系统，经过飞行验证，继续工作超过10,000小时。

整个离子电推进子系统包括推进剂储存模块、压力调节模块、流量控制模块、离子电推进器等辅助设备，系统净重约140公斤。

低功率离子电推进系统

今天，中国明确表示空间站需要在轨工作15年左右，为了保持空间站的高度，势必会继续推动Regulation，于是霍尔电力推进系统诞生了。中国“天河号”核心舱配备中功率霍尔电力推进系统，可为空间站在轨维护持续提供动力。

目前，霍尔电力推进系统已完成3020次启动的实验验证，支持在轨替换。此外，氙气作为提供粒子的主要原料，也可以通过高纯注入的方式注入到离子电推系统中。

在这种离子电推进技术的支持下，我国空间站可以保持长期稳定运行，动力性能将超越美国空间站，并节省大量运输燃料费用。此次离子推进器的列装，也使我国成为世界上第一个在载人航天装备上列装自主研制的离子推进器的国家。

霍尔离子电推进系统

离子电推进是未来太空发展的必然，它也有着重要的意义。比如现在发射卫星已经是很平常的事情了，但是如何才能延长卫星的寿命呢？离子电推进可以解决这个问题。要知道在太空中我们是可以利用太阳能发电的，只要有足够的电解原料，我们就可以源源不断地发电，让离子电推进器长期运转。

因此，如果离子电推进系统能够应用在各种航天装备上，那么我国通信卫星和空间站的发展水平将再上一个台阶。

离子电推进系统的诞生意义重大

另外，我们还要把眼光放得更长远。未来，人类一定会向宇宙中走得更远、更深。离子电力推进装置安装在我们的探测器上，它可以继续工作并使其走得更远。

例如，有望飞出太阳系的航海者一号，已经飞出日球层，但其能量即将耗尽。

这意味着即使未来这个探测器可以“游荡”到更远的地方，也无法将信息传回给我们，在近两年内将与人类彻底脱节。但如果它有离子电推进器，那么情况就会好很多。

航海者一号探索宇宙

科学家发现，使用离子电推进系统后，其比冲是化学燃料的十倍，需要的工作流体更少，因此可以携带更多的其他设备进行远距离探索天体。

美国航天局计算过，如果使用离子电推进的探测器飞到土星，只需要3年就能飞到土星，而使用传统燃料的探测器则需要7年才能飞到土星。

离子电推进系统

中国航天梦

可以说，与美国这个航天技术起步较早的国家相比，我国的航天技术发展道路更加曲折。因为别人的研究时间比我们多了将近30年。也就是说，当别人已经能够稳步前行的时候，我国的航天技术才刚刚萌芽，处于缓慢成长期。

以本文介绍的离子推进器为例，早在1965年，美国就进行了首次飞行试验。1970年发射的SERT-II卫星也搭载了两个离子推进器。

中国的航天发展并不容易

好在我们虽然晚了，但还不算晚。在几代中国航天人的艰苦奋斗和坚持下，我们逐渐赶上了别人。

无论是嫦娥五号采土成功返回，下一步准备载人登月，还是即将修好的中国空间站。这些成绩向我们证明，即使晚了一点，只要努力，还是可以实现航天梦想的。希望未来中国的航天科技能更上一层楼，带领我们走向更深更远的宇宙。

中国航天事业蒸蒸日上

结语

中国航天事业的发展虽然曲折，但一直处于上升期。这或许是事情必须要经历的过程。毅然放弃化学燃料，选择使用离子电推进技术，是一个非常明智的决定。相信在这样的努力下，我国更多的太空梦，比如载人登月、登陆火星等，都可以一一实现，请耐心等待好消息。

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