大家口中的電推一般指的就是離子電推進發動機，我們在很多科幻片中都見到過它的身影，比如《普羅米修斯》中的普羅米修斯號飛船就裝載了四臺炫酷無比的離子發動機，登陸異形星球的場景實在震撼。不過請不要以為離子發動機只是停留在科幻片中，早在1959年美國物理學家哈羅德·R·考夫曼就製造出了第一臺離子發動機，當時用的推進劑是汞。

想必各位心中肯定有一個疑問，既然先進的離子發動機在1959年就被製造出來了，為什麼到現在我們還在地球上徘徊，科幻片中不是說這種發動機能上天入地麼？不妨來了解下離子發動機的前世今生。

離子電推進發動機的原理是什麼？

最早的離子發動機的原理很簡單，將推進劑電離，然後將其中的電子和離子分離，然後將質量比較高的離子通過電場加速向後方高速排出，即可獲得推進動力。如果要調節發動機推力，那麼只要調整電場的強度即可。當然您肯定發現了剛分離的電子去哪裡了？帶正電荷的粒子排出後發動機會積累負電荷，因此最後必須用電子槍將電子注入羽流中，讓它們在宇宙中繼續團圓成完整的原子。

離子發動機渾身都是優點，簡單總結下主要有如下幾個：

經濟性非常好
結構簡單、推力調節方便
比衝是化學火箭發動機的十倍以上

這裡必須要解釋一個比衝的概念：比衝的定義是火箭單位質量推進劑產生的衝量，簡單的說就是發動機的的效率，越高表示效率越好，單位質量的燃料能將火箭加速到更快的速度。比如早期用於通訊衛星的壽命期內軌道維持燃料一般高達數噸，改用電推發動機後只要數百千克即可。

看上去很美的離子發動機卻有一個致命的弱點，它的推力太小了，甚至只能吹氣一張紙，這限制了它的應用，但這個弱點在太空中卻不那麼顯著，所以離子發動機還是如火如荼的發展起來了。

離子發動機主要有哪幾種？各有什麼優缺點

通過離子發動機的結構我們可以知道這種推進方式有幾個關鍵，分別是：

等離子體的產生方式
離子的加速方式

一般我們以離子的加速方式來區分離子發動機，分別是靜電式（離子式）和電磁式（霍爾式），靜電式的原理是推進劑電離後，利用柵極提取離子，再利用靜電場來加速離子，最終用電子槍中和離子避免電荷在發動機上積累。

電磁型則是利用磁場控制電子的運動，讓電子在推進方向上積累，形成一個電位差，然後再用這個製造的電位差來加速離子，獲得推進動力。

從兩者的結構區別來看靜電式的體積會比較大，因為靜電式推進器比衝很高，但它的推力並不高，主要是因為靜電式推進器的結構制約了它的推力增加，我們知道增加推力有兩個方式：

增加離子排氣速度
增加離子排氣密度

前者靜電式已經做到了極致，在幾種結構中它的噴口離子速度是比較高的，但它的流量上不去，因為靜電式是通過格柵電位差加速的，當網孔和電壓確定以後，它的離子排氣密度就確定了（存在空間電荷效應，電荷密度不能太高，否則分離的離子和電子會重新捕獲成電中性原子），因此要增加流量勢必會增加網孔數量，那麼它的尺寸就會幾何級數增加，相當於流速確定的情況下，要讓水多流一點出來，就只能多開幾個孔了。

靜電式離子推進的結構原理圖

電磁式則剛好與靜電式相反，比如電磁式中如火如荼發展的霍爾推進發動機中，它的離子排氣速度比較低，但它的流量很高，這有點像化學火箭，但它仍然比化學火箭比衝要高得多。另外電磁式推進還有一個好處，它沒有加速柵極，不存在柵極壽命的問題，並且在推力上取得了一個平衡（靜電式推力實在比較小，但比衝高，適合長時間執行任務的深空探測器），因此未來的載人深空飛船發動機發展中電磁式也許將佔主導地位。

電磁式推進：霍爾推進的原理圖

最後還得提一下電子場致發射發動機，其實它也是一種離子發動機，它的原理與以上幾種都不同，在一個高壓電場下，金屬銫被激發的不穩定態形成一個泰勒錐，從錐尖射出的離子流在高壓電場的加速下達到100千米/秒，從而形成推力，這種發動機成本低，結構簡單，體積極小，但它的推力也極小，大約在150微牛以下，不過它的比衝極高可達10000S。

電子場致發射發動機的體積可以做到令人咋舌的程度，跟硬幣差不多，它未來的應用是航天器的姿態維持，比如正在建設者中空間引力波天線。

電推發動機的推進劑與電離方式

瞭解了兩種典型的電推進方式後，我們再來了解下推進劑以及離子產生的方式，為什麼要先說推進方式後說離子產生方式呢？如果不這樣的話倒過介紹來容易搞混概念。

電推發動機的推進劑

早期用的是劇毒物質汞，為什麼要用這種劇毒物質呢？因為推進劑的選擇有幾個要求：

容易電離
儲量大，容易獲取
密度大（燃料箱不佔地方，而且推進效率高，因為排放的離子質量大）

但汞的缺點也是顯而易見的，毒性前文已經說明，另一個特性是它儘管很容易電離，但首先要加熱蒸發成蒸汽才達到電離條件，對於能耗管理要求極高的空間探測器來說，這可是個耗電大戶。一般對於汞的缺點說明到這裡也就結束了，但它還有另一個很少提及的問題，離子是帶正電荷的，儘管電子束已經中和，但仍然存在汞離子吸附著在探測器表面的問題（電推進器的噴射束寬以及濺射角度很關鍵），比如探測器的熱控材料與太陽能電池表面，嚴重影響原有設計性能。

從結構上看，這是一種靜電式的離子電推發動機，它的離子束濺射角度是比較大的，因此必須要考慮對航天器附帶損傷的問題。

氙的核外電子排布

現代電推進發動機一般選擇惰性氣體氙，它的“惰性”表明它不容易和其他物質產生反應，即使濺射後果影響也會小很多，氙原子比較容易電離。另外氙還有能在常溫下達到超臨界的特性，此時它的密度可達水的1.2倍，大大減小了存儲空間，這對於體積大小極度敏感的探測器來說非常長重要。

除了氙以外還有別的推進劑嗎？當然有，只要滿足上述要求的都可以，比如固體特氟隆，也許這會讓大家大跌眼鏡，電推進發動機中還有固體“燃料”發動機的。

在這裡要重新提一下汞，儘管汞存在諸多缺點，但它在未來深空載人探測任務上極具優勢，因為它的密度極大，而載人飛行的飛船同樣質量巨大，需要大量的推進劑消耗，而汞這種成本極低的“燃料”是未來深空載人任務的理想推進劑。

電推進發動機的電離方式

其實在離子發動機中這是第一步，因為離子發動機不能加速中性原子，只能加速電子（負電荷）或者原子核（離子（正電荷）），那麼首要的任務就是將推進劑的媒介物質電離，一般的電離方式有：

直流放電
電子轟擊
射頻放電
迴旋共振

電離是在電離室（Discharge Chamber）內完成的，在充滿工質的電離室內激發和並完成電離，在通過前文說明的比如離子推進是柵極，電磁推進則是交替磁場與電場等。有一點需要注意的是離子推進器中電離區和加速區是分離的，相對效率很很高，單位質量推進劑利用率很高，缺點則是結構比較複雜。電磁推進的電離區和加速區是一體的，結構簡單，尺寸更小，對電源要求也比較低，相對可靠性也更高。

電推進發動機的電源

電推進發動機最關鍵的幾個組成部分，發動機、推進劑與電源，所以電源是電推發動機的關鍵組成之一，一般現代航天器的電源有如下幾種：

太陽能電池
同位素電池

在土星軌道以內，探測器的電源用太陽能電池仍然是可以接受的，儘管太陽能密度降低，但對於探測器並不是特別高的電源需求仍然可以勉強滿足，但各位肯定會發現，越是往外的探測器，太陽能天線會越來越大。

木星探測器朱諾，它的標誌是均勻分佈的三面巨大的太陽能電池，當然各位可能也發現了當年的旅行者根本就沒有太陽能電池，因為它用的鈈同位素電池，它的目標是太陽系以外，那裡的太陽猶如一顆大星星，所以只能使用同位素電池，但對於電推這個耗電大戶來說(千瓦級別的電推進發動機也只能達到數十最多上百毫牛)，如果要達到載人級別的話怎麼也得牛頓級別：

黎明號小行星探測器的太陽能電池功率：

距離1AU：功率10000 瓦

距離3AU：功率1300 瓦

它攜帶的氙離子電推發動機推力為90毫牛，而在3AU時並不能全功率推進，因此電源將成為制約未來深空任務的重大因素之一，因為同位素電池儘管不受與太陽距離限制，但提供的功率仍然有限，必須要用功率更大的空間堆，比如能提供數十千瓦甚至百千瓦乃至兆瓦級別的空間堆。