大家應該或多或少接觸過科幻電影，那些飛船尾部都帶有藍色的光焰——羽流。藍色，一種科幻的顏色。今天，我們介紹一下這個存在于現(xiàn)實中的航天飛船動力，它就擁有科幻的藍色光焰羽流！

大家都或多或少在電視上見到過火箭發(fā)射時的場景，尤其是剛點火升空的那一瞬間，爆炸式的燃燒噴出長長的尾焰，巨大的反作用力使得火箭加速離開地面，飛向太空，這是航天器從地面到太空的一個過程?；鸺d荷（一般包括人造衛(wèi)星、探測器、飛船等，下稱航天器）送到一定軌道高度后，需要航天器自身的動力完成軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)調(diào)整和位置保持。

傳統(tǒng)的航天器動力為化學式推力器或者冷氣推力器。化學式推力器（分為固體燃料和液體燃料，一般采用液體）本質(zhì)上與火箭發(fā)動機沒有太大的區(qū)別，都是通過燃燒自身攜帶的推進劑產(chǎn)生推力，使航天獲得加速度達到變軌等目的。冷氣推力器一般設計一個合適的管道如拉法爾管（可以用來加速冷氣獲得更大的推力）然后將氣體噴出產(chǎn)生推力。冷氣推力器和化學式推力器兩種推力器都有一個共同的缺點——比沖低（前者很多甚至不到100s，后者可以達到250~450秒），關于比沖的概念在《齊奧爾科夫斯基（二）讓火箭飛起來》中提到過，簡言之就是對于一定質(zhì)量流量的噴出物，其被噴出的速度越快，比沖越大。比沖低造成的后果就是航天器為了達到某一目的（如軌道轉(zhuǎn)移），需要攜帶更多的燃料。目前的發(fā)射成本大于1萬美元/kg，以2~4噸的通信衛(wèi)星為例，其一半以上為推進劑和推進系統(tǒng)的質(zhì)量，這不僅導致衛(wèi)星的成本異常之高，同時還嚴重了影響有效載荷。

那么，如何提高推力器的比沖呢？答案是電推進系統(tǒng)（Electric Propulsion System），核心是其中的電推力器（Electric Thruster）。

電推力器，顧名思義是將電能轉(zhuǎn)化為動能的過程，電能相對于化學能而言，在太空中是可以采用太陽能的。當然，電推力器無法將電能直接轉(zhuǎn)化為動能，因為電推力器主要是電離工質(zhì)產(chǎn)生離子，然后加速離子噴出產(chǎn)生推力的。根據(jù)產(chǎn)生離子和加速離子方式的不同，大致分為電熱式、靜電式和電磁式三種推力器。

從紅色框中可以看出，電推力器的比沖明顯比要高于傳統(tǒng)推力器。實際應用時并不能僅僅通過以上數(shù)字進行選擇，就如同大家選手機，并不能簡簡單單的看配置一樣，更何況這比選手機強多了。不同的推力器，需要根據(jù)任務（速度變化量）、自身能夠提供的功率、推力大小等決定。目前大量應用于航天的推力器為電磁式推力器中的霍爾推力器和靜電式的離子推力器。

前者以前蘇聯(lián)為主要研究對象， 明星產(chǎn)品為spt系列以及改進產(chǎn)品aton系列，后者是美國主推的推力器。

蘇聯(lián)解體后，霍爾推力器由于其優(yōu)異的性能，技術(shù)傳入了世界各大航天強國。一葉所在的研究所與已逝的霍爾推力器的發(fā)明人莫羅佐夫教授有過深度合作，去年榮獲高校十大科技進展獎的磁聚焦型霍爾推力器的理念就是莫羅佐夫提出來的。其他已經(jīng)應用于航天的推力器還包括電熱式推力器，有日本的隼鳥號以及Lockheed Martin 公司 A2100TM衛(wèi)星平臺采用 Primex 宇航公司的 MR510 2KW 肼電弧加熱推力器。

上圖是各種推力器的應用范圍，可以根據(jù)不同的功率、比沖要求選取推力器。目前航天器提供的電功率非常有限，即使是向通信衛(wèi)星這類大型衛(wèi)星，能夠為推力器提供的功率大概在1-10kW量級。為了提升有效載荷，在滿足功率的情況下將會盡可能選用比沖高的推力器。由圖可以知道，在1-10kW可以選取霍爾推力器和離子推力器，這兩種推力器比沖都超過了1000S，一般霍爾推力器比沖能夠達到2000-3000s，離子推力器最高比沖能夠達到約4000s，這也是霍爾推力器和離子推力器成為主流電推力器的主要原因。二者各有特色，霍爾推力器相對于離子推力器而言存在結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，功率密度高、容易大型化等優(yōu)點，特別是大型化，離子推力器是難以企及的。   

以霍爾推力器和離子推力器為主要討論對象，化學推進大致比較一下實際任務有效載荷質(zhì)量與發(fā)射質(zhì)量之比。

上圖即為比較結(jié)果，由圖可以發(fā)現(xiàn)二者之間存在巨大的差別。尤其是最后的星際探測，存在近10倍的差距。

當然，電推力器也有其局限性。首先是電推力器的推力特別小，500W-10kW的霍爾推力器，推力在10mN~3N，什么概念呢，一張A4紙質(zhì)量約等于4g，也就是40mN的重量（注意是重量不是質(zhì)量哦）。我們之前有提到嫦娥探測器的主推力器為750N，因此電推力器給航天器的加速度是非常小的，如果任務緊急且是地球衛(wèi)星，是不能采用電推進的。那么這么小的推力為什么還用呢？首先，目前電推力器應用于位置保持和姿態(tài)調(diào)整，一年的速度增量在50m/s以內(nèi)，電推力器由于其精確的推力以及可以持續(xù)工作的特點，可以節(jié)省大量成本的同時提高控制精度。但是，以后的趨勢將會是全電推進平臺衛(wèi)星，畢竟不是所有的任務都是非常緊急的。

為什么我會強調(diào)地球衛(wèi)星呢？因為進入深空探測后，由于電推力器的比沖很高，攜帶同等質(zhì)量的推進劑，電推力器給航天器的速度增量遠遠超過化學推進。如果有兩個航天器同時從某一軌道進入太陽系深處，將會出現(xiàn)如下太空版的龜兔賽跑。當然，這個比喻不是特別合理，畢竟電推力器主導的航天器最終速度是遠大于化學推進主導的航天器的。

電推力器除了推力小的缺點外，還存在其他一些嚴重的問題需要解決。其中包括帶電粒子返流沉積在航天器表面尤其是太陽能帆板上，導致航天器表面帶電。其二是由于電推力器中等離子體存在振蕩，電子振蕩的頻率與通信頻率接近會嚴重干燥通信。

做一個小結(jié)吧：

1、 電推力器分為三種形式：電熱式（如電阻加熱）、靜電式（離子推力器）、電磁式（霍爾推力器）；

2、 電推力器的比沖高，霍爾推力器和離子推力器能夠達到2000~4000s的比沖，是化學推進的10倍以上；

3、 推力特別小，但是可以持續(xù)工作，且提供高精度的推力，目前主要用于軌道保持、姿態(tài)調(diào)整，未來將會向全電推進衛(wèi)星平臺發(fā)展。由于其高比沖、壽命長等特點，未來的星際探測將會大面積采用電推力器；

4、 容易返流造成航天器表面帶電；

5、 由于等離子體振蕩會影響航天器的通信。