离子发动机可以用水作为推进剂吗？

离子驱动器以其高效率而闻名。与化学火箭相比，它们的效率极高，所以它们更适合推进剂供应至关重要的深空任务。新的研究显示了它们如何在简单的水上运行，使它们更加高效。

水在太阳系中分布广泛，至少以冰的形式存在。电解可以将水分解成氢和氧，产生可以用作火箭燃料的氢。然而，这是一项复杂的努力。如果同样的水可以用作离子驱动的燃料，这将是一个有趣的可能性。

《电力推进杂志》上的一项新研究展示了它的工作原理以及它能带来的好处。它的标题是“水燃料霍尔效应推进器的计算模型”，主要作者是Jesús Manuel Muñoz Tejeda，他来自伦敦帝国理工学院的帝国等离子推进实验室。

这项研究的重点是霍尔效应推进器（HET），它与离子驱动并不完全相同，但非常相似。这两种系统都使用加速离子推动航天器在太空中飞行。它们都不能从行星表面发射航天器，但一旦航天器逃离重力井，它们都是可行的系统。

离子驱动对于更长时间的任务来说是可取的，因为它们的推进剂效率更高。美国宇航局在“深空1号”、“黎明号”和“心灵号”任务中使用了它们，而欧洲航天局在“贝皮-科伦坡”和“LISA”任务中使用了它们。

作者写道，霍尔推进器是“各种太空推进操作的首选，比如空间站保持或轨道处置。”根据他们的论文，72%的地球静止轨道卫星使用霍尔效应推进器。

霍尔推进器更简单，组件更少，而离子驱动器则稍微复杂一些。霍尔推力器产生较高的推力和较低的比冲，而离子驱动器则相反。这两种系统都属于电力推进的范畴。

这两种系统都使用电力，通常由太阳能电池板产生，使推进剂气体带正电荷。然后它们利用磁场喷出气体，产生推力。

氙是高温超导中最常见的燃料，因为它不需要太多的能量来电离，具有高原子质量，易于处理和储存。然而，氙气的供应有限，且价格波动较大。氪也被使用，碘是一种可行的替代品。研究人员也在考虑氩、锌、镁，甚至巴克敏斯特富勒烯。每一种选择都有自己的问题和障碍。

由于一些显而易见的原因，水被考虑在内。它低成本，无毒，易于储存，并与其他航天器系统如生命维持和热冷却协同作用。它在太阳系中也很丰富。

这组作者指出，有必要探索水作为HETs的燃料，因为实验是如此昂贵和耗时。他们写道：“因此，对强大的预测模拟工具的需求是显而易见的，这既是为了在设计参数空间内进行相对廉价的迭代，也是为了更好地理解推进器操作的物理基础。”

研究人员模拟了水作为霍尔推进器推进剂的使用情况。在一种情况下，他们使用水蒸气；在第二种实验中，他们使用了电解从水中提取的氧气。霍尔推力器产生离子，这些离子被推进产生推力，每次模拟都会产生不同的离子阵列。

结果表明，在这两种情况下，水都是合适的推进剂。作者写道：“对氧气和水蒸气的模拟和实验结果显示出合理的一致性。”

在功率水平相同的情况下，氙气仍然更优越。他们解释说：“当与氙气燃料的HET进行比较时，很明显，在同等功率水平下，氙气可以获得更好的推力和效率。”

然而，在提高功率水平时，水的效率更高。作者写道：“重要的是要观察到，对于氧气和水蒸气系统，实验观察和所提供的数据表明，它们的比脉冲随着放电功率的增加而提高，最终超过了氙燃料HETs所达到的值。”

因为它们产生更高的比冲，这些系统可能适合深空任务，在那里效率和长期操作是至关重要的。作者写道：“总而言之，尽管由于解离损失、推进剂的轻质量以及与氙相比更高的第一电离势，水燃料的热电加热器的性能预计不会达到氙燃料的设备，但水燃料系统具有显着的优势。”

这是初步研究，因此没有得出任何绝对的结论。这样的模拟只是实际测试的初步阶段，研究人员未来将学到更多东西。

关键的可能是，水的可用性以及与其他系统的协同作用在深空任务中非常可取。研究人员解释说：“在此类任务中，水电解可以产生氧气和氢气，用于化学和电力推进，从而实现多功能性。”

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