抛弃化学燃料！中国空间站的离子推进器有多牛？超越美国空间站

空间站是一个可以满足人类长期在地球轨道上停留的大型航天器，我们可以利用空间站在外太空的低重力环境下进行各种有关生物、物理、化学实验，所以空间站也是一个漂浮在外太空的实验室。

目前在轨运行的国际空间站由美国NASA主导，16个国家联合建设，已经运行了数十年的时间。

由于某些原因，我国并没有参与到国际空间站的建设和使用当中，但我们现在要建造属于自己的空间站了，未来随着国际空间站在2024年的退役，我国的空间站将取代国际空间站的地位，成为很多国家争相合作的对象。

关于我国的空间站有一个非常大的亮点就是，它的推进系统也就是发动机将采用目前最先进的离子推进器，不再使用以往的化学推进器，这是人类首次在如此大型的航天器上使用这种推进系统。

这里有个问题是，空间站在被发射到太空以后，它可以像月球绕地球，或者是地球绕太阳那样一直运行，为什么还要动力系统呢？

原因其实很简单，空间站的轨道大约在400公里左右，这个位置虽说已经属于太空空间了，但是地球的大气层非常的弥散，没有一个确切的停止点，甚至地球的大气分子能够逸散到月球轨道上。

要知道月球在38万公里的地方，所以在400公里的高度上，依旧存在大气分子，这里属于热成层。

虽说这里的大气分子的密度很低，两个分子之间的距离能够达到1公里，甚至更远，但是空间站的体积很大，它在不间断的绕地飞行中，总是会撞到大气分子。

长此以往空间站的速度将会降低，轨道衰减，最后将会坠入地球大气层烧毁。因此科学家将定期给空间站加速，将空间站稳定在合适的轨道上。

除了给空间站提速以外，我们还需要利用推进器调整空间站的姿态，以及避障等等。所以空间站的推进器是少不了的。

而在即将退役的国际空间站上，所使用的推进器是以化学燃料驱动的，而我们的空间站将使用最先进的离子推进器。

离子推进器的优势

离子推进器相比于化学推进器它的比冲更高，也就是消耗单位质量的推进剂所产生的冲量更大，离子推进器的燃料利用效率能够达到90%，而化学燃料的效率只能达到35%。

举个例子你就能知道化学燃料的利用效率有多低了，土星五号是当年美国阿波罗计划所使用的火箭，现今依旧是人类制造的最强大的火箭。

其火箭第一级有5台F1发动机，每台可以提供大约700吨的推力，合起来就是3500吨，这个数字看起来相当的惊人，但是由于化学燃料的单位质量能够提供的冲量有限，所有每一台发动机需要每秒燃烧13吨的燃料。

为了保证发动机能够提供长时间的推力，所以就需要携带大量的燃料。土星5号的第一级总重2290吨，你能想到其中燃料的重量就达到了2160吨，剩下的130吨就是发动机以及一些附属装置的重量了。

因此使用离子推进器，我们可以携带质量更少的燃料，就可以给航天器提供更大的速度，不仅节省了空间，还节省了成本。

其次就是离子推进器所使用的燃料是惰性气体，相比于化学燃料更加的安全。

那么既然离子推进器如此优秀，为何不用在火箭上呢？

虽然离子推进器的燃料利用效率强于化学燃料的3倍，但是离子推进器反应速度很慢，所能提供的推力非常小；

一般在毫牛级别，只能推动几克的重量，现在最强的推进器所能提供的推力只有5.4牛，最多能够举起大约540克的重量，这个记录是由NASA的K3离子推进器创造的。

相比于化学燃料推进器能够产生数百吨的推力来说，离子推进器在地球上毫无用处。

因为地球有引力和空气的阻挡，而离子推进器虽然燃料效率更高，但是这些小的推力是不足以将任何东西送出地球的。

但是只要来到了外太空就是离子推进器的天下了，由于外太空是真空、无重力所以不管给航天器提供多大的推力，都能产生微小的加速度，只要时间持续的足够长航天器就可以被加速到非常高的速度。

这就是离子加速器的又一个优点了，由于它的燃料效率更高，反应速度慢，因此离子推进器能够给航天器提供的持续推力的时间少则一年，多则数年。

离子推进器的历史

离子推进器的相反并不是近些年才提出来的，而是1906年就有人提出了这样的概念，1957年NASA将其系统化并且制造出了第一个实用版本。

同年NASA就在亚轨道飞行器SERT-1上测试了离子推进器，几年后SERT-2成为了第一个搭载离子推进器的进入地球轨道的航天器。

上世纪的90年代末，NASA开发出了NSTAR离子推进器，功率只有2.3千瓦，所能提供的推力为0.0920牛，相当于一张纸的重量。

并且进行了1000小时、2000小时和8193小时试验。NSTAR离子推进器曾用于NASA1998年的深空1号（DS-1）任务。

DS-1是一颗彗星与小行星探测器。它的最高速度为每小时16000公里。这是人类第一次成功地将离子发动机用于深空探测任务。

2007年NASA还发射黎明号探测器，上面搭载了3台NSTAR离子推进器，这颗探测器的任务是拜访小行星，探测了小行星带中的谷神星和灶神星。

2014年由日本发射的隼鸟2号探测器也同样搭载了3台离子推进器，推力为29毫牛，拜访了小行星龙宫并在今年采样返回。

可以看出离子推进器是为了人类进行深空探索必备的推进器，它可以以小质量、小体积、长时间提供推力的优势下，给航天器提供足够快的速度，让我们未来可以更快地达到火星，甚至是飞出太阳系，去往离我们最近的比邻星B去看看，听说这里可能有外星生命。

离子推进器的原理

离子推进器有一个反应腔，在这里反应的物质并不像化学燃料那样通过燃烧产生高温高压气体，然后喷射出去提供推力。

而是在反应腔里充满推进剂惰性气体氙，然后使用电子轰击氙气，高能的电子与中性的氙气发生碰撞的时候，氙原子就会被电离，形成带正电的原子核和带负电的电子；

产生越来越多的电子就会轰击其他氙原子，这样反应腔内就会快速地形成等离子体，等离子体有气体的一些特性，而且最主要的是它会受到电场和磁场的影响；

在推进器的尾部有一个变化的电场，是由两个栅极提供的，带正电的离子会在这里被加速到非常高的速度，然后喷射出去，为推进器提供推力。

在喷出正离子的同时，推进器的阴极也会喷射出等量的电子来中和电荷，使得喷出的物质成电中性，这样做的目的是，如果不喷射出电子，那么推进器就会带负电，那么它就会吸引喷射出去的正离子，使得推进的效率降低。

而且这样做也可以防止推进器被带电粒子“腐蚀”。

那么为什么推进剂要使用氙呢？而不是其他的惰性气体？

我们知道氦、氖、氩、氪、氡这些气体都是惰性气体为何偏偏要选用疝呢？

原因是氙的原子量大，容易被电离，而且它没有放射性，所以它更适合被用作离子推进器的反应剂。

原子的质量大这一点很关键，这意味着加速到同等的速度下，质量更大的原子核它所拥有的动量就越大，因此在喷射出去的时候，它给推进器提供的反作用力就越大，推进器的推力就越大。

我国空间站上使用的离子推进器是啥水平？

计划搭载在我国空间站上的4台离子推进器单台推力只有80毫牛，只能举起大约8克的重量，虽然力量很小，但是在外太空足够使用了。

虽然不像化学燃料那样可以短时间内提供足够大的推力，但是它可以保持长时间的开启推进，一直维持空间站在正常的速度下运行。

每次只需要补充很少的燃料，就可以运行数年的时间，既节省了成本，也可以使我国在航天领域第一次验证离子推进器的有效性。

虽然以往在小的航天器上使用的离子推进器，但这次也是人类第一次在大型空间站中使用这种最为先进的推进技术。

总结

可以看出离子推进器是为了航天器动力系统的发展趋势，在没有实现核动力飞船之前，离子推进器将在很长一段时间内改变我们太空旅行的方式。

离子推进器解决了空间旅行的一些关键问题。如速度、时间、距离和成本。如果你将离子发动机的燃烧时间与化学助推器相比，它的运行成本相对较低。

由于氧化剂和燃料的供应有限，化学助推器通常燃烧最多600秒。但离子推进器一次可以燃烧数年！

它携带的燃料也比化学火箭少得多，但运行时间也长得多。这证明了我们未来可以走得更远，不仅能载人去往火星，未来还有可能去往外太阳系的其他岩石卫星。