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幾千年來(lái)，面對(duì)著浩瀚蒼穹、熠熠星辰，人類(lèi)始終充滿(mǎn)好奇。擺脫地球引力的羈絆，飛向太空，也是人類(lèi)長(zhǎng)久以來(lái)的夢(mèng)想，但是直到20世紀(jì)初，科學(xué)指引的太空探索方案才被提出。 1903年，俄國(guó)人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（Konstantin Tsiolkovski，1857-1935）撰寫(xiě)的《利用反作用力設(shè)施探索宇宙空間》，第一次從理論上論證了火箭的作用，并預(yù)言利用液氧和液氫做燃料的多級(jí)火箭可以達(dá)到脫離地球引力的速度。這本著作深刻影響了整個(gè)歐洲和美國(guó)的航天事業(yè)。之后，人類(lèi)正是按照齊奧爾科夫斯基的設(shè)想，借助化學(xué)火箭，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射衛(wèi)星，甚至登陸月球的夢(mèng)想。 然而，如果我們想去月球之外更遙遠(yuǎn)的深空旅行，看似強(qiáng)大的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)卻有些力不從心了。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)力強(qiáng)勁，但從效率上講卻是非常低的，需要消耗大量助燃氧化劑和燃料。例如，1967年發(fā)射的土星5號(hào)，起飛重量達(dá)3408噸，最后送上月球的部分卻只有45噸，剩下的質(zhì)量幾乎都用來(lái)裝燃料了。由于太空中補(bǔ)充燃料是個(gè)難題，動(dòng)力系統(tǒng)的局限確實(shí)阻礙了人類(lèi)進(jìn)一步探索太空的腳步。同樣是在20世紀(jì)初，俄羅斯的齊奧爾科夫斯基和美國(guó)（液體）火箭之父羅伯特·戈達(dá)德（Robert Hutchings Goddard，1882-1945）分別提出空間電推進(jìn)的概念。基于這一設(shè)想，美國(guó)和前蘇聯(lián)獨(dú)立開(kāi)發(fā)出了不依賴(lài)化學(xué)燃燒，而是靠電力運(yùn)行的離子推進(jìn)器技術(shù)，并逐漸將其投入實(shí)際使用。 康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（左）與羅伯特·戈達(dá)德（右），圖片來(lái)源：wikipedia/fineart 離子推進(jìn)器，又稱(chēng)離子發(fā)動(dòng)機(jī)，可以向外高速?lài)娚涞入x子體，進(jìn)而形成推力。盡管其柔和且充滿(mǎn)神秘感的尾焰頗有些科幻電影中星際飛船的意象，但實(shí)際上目前大多數(shù)離子發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力還不到1牛頓，只相當(dāng)于舉起一個(gè)雞蛋的力氣。一臺(tái)工作中的氙離子推進(jìn)器，圖片來(lái)源：Bruce Murray Space Image Library 航天器進(jìn)入太空后，受到的引力和空氣阻力都非常微弱，所以即使再小的推力，只要持之以恒的加速，也能產(chǎn)生十分可觀(guān)的效果。另一方面，推力小更有利于精準(zhǔn)調(diào)控，特別適用于那些精度要求高的衛(wèi)星和空間站。因此，離子推進(jìn)器的核心優(yōu)勢(shì)在于噴射速度高，推進(jìn)劑消耗量小，這恰好彌補(bǔ)了化學(xué)火箭爆發(fā)力強(qiáng)卻后勁不足的缺陷。化學(xué)火箭與離子推進(jìn)器的性能比較，左為“土星5號(hào)”運(yùn)載火箭，右為使用離子推進(jìn)器的“深空一號(hào)”航天器 2021年4月，中國(guó)空間站天和核心艙成功發(fā)射入軌，在核心艙的尾部就配置了四臺(tái)離子推進(jìn)器中性能優(yōu)異、技術(shù)先進(jìn)的霍爾推進(jìn)器。它可以幫助空間站規(guī)避危險(xiǎn)，調(diào)整姿態(tài)?；魻柾七M(jìn)器的動(dòng)力來(lái)源于電能，而空間站可以依靠太陽(yáng)能電池板不斷獲取電力，相比于化學(xué)推進(jìn)裝置，每年可以節(jié)省幾十噸靠飛船往返天地之間運(yùn)輸?shù)娜剂稀?/span>中國(guó)空間站天和核心艙，尾部配置了離子推進(jìn)器（黃色框）。圖片來(lái)源：Shymkent.info 化學(xué)火箭中需要使用大量液態(tài)氫或碳?xì)浠衔锏茸鳛槿剂?，那么，離子推進(jìn)器中使用的燃料又是什么呢？回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們需要先了解一下離子推進(jìn)器工作的原理。在離子推進(jìn)器中，注入電離室的推進(jìn)劑會(huì)受到電子槍的轟擊。這時(shí)，結(jié)合得最不牢固的那個(gè)電子就會(huì)和原子核“分道揚(yáng)鑣”，而失去一個(gè)電子的原子核就變成了正離子，并通過(guò)后面柵板產(chǎn)生的電場(chǎng)加速?lài)姵?，從而產(chǎn)生推力。出口附近的電子槍?zhuān)驀姵龅恼x子束注入電子，使其變成電中性，又恢復(fù)成原子狀態(tài)。經(jīng)典離子推進(jìn)器的工作原理示意圖，圖片來(lái)源：Wikipedia 在傳統(tǒng)離子推進(jìn)器基礎(chǔ)上，霍爾推進(jìn)器利用磁場(chǎng)限制了電子的軸向運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)更為精巧，噴口也從一面篩子變成了一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，但基本思路都是通過(guò)噴射離子而獲得推力。前蘇聯(lián)研制的SPT-140型霍爾推進(jìn)器，圖片來(lái)源：NASA/JPL-Caltech (左)，Maxar Technologies (右)
區(qū)別于化學(xué)火箭的助燃劑與燃料，理論上，我們可以將任何能被離子化的物質(zhì)用作推進(jìn)劑。2018年由麻省理工學(xué)院科研人員成功試飛的世界上第一架“離子驅(qū)動(dòng)”的飛機(jī)，便通過(guò)超高壓電源轉(zhuǎn)換器制造的4萬(wàn)伏高壓，只利用空氣中的氮?dú)夂脱鯕猱a(chǎn)生的“離子風(fēng)“，就能夠帶動(dòng)飛機(jī)飛行。MIT 科研人員設(shè)計(jì)制造的第一架“離子風(fēng)飛機(jī)”，圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[5] 然而，太空中并沒(méi)有空氣，而且如何獲得足夠的能量維持整個(gè)航天器運(yùn)轉(zhuǎn)也是個(gè)大問(wèn)題。所以無(wú)論是燃料還是電力，對(duì)于在太空運(yùn)行的推進(jìn)器都需要精打細(xì)算。基于離子推進(jìn)器的工作原理，我們首先期望推進(jìn)劑是比較容易被電離的物質(zhì)。元素的電離難易程度，可以通過(guò)電離能（Ionization Energy）來(lái)比較。第一電離能是指基態(tài)的氣態(tài)原子失去一個(gè)電子變?yōu)闅鈶B(tài)陽(yáng)離子，克服核電荷對(duì)電子的引力所需要的能量。電離能低意味著在同樣功率的離子推進(jìn)器中可以有更多的原子轉(zhuǎn)換為離子。其次，考慮到動(dòng)量的計(jì)算公式，產(chǎn)生的離子質(zhì)量越大，同樣速度噴出時(shí)可以提供的反作用力也越大。因此，從推進(jìn)效率的角度考慮，理想推進(jìn)劑具有較高的“質(zhì)量/電離能比“，即質(zhì)量大但電離能低的物質(zhì)。第一電離能與原子序數(shù)之間的關(guān)系圖，圖片來(lái)源：Wikimedia Commons
從元素電離能的變化趨勢(shì)中我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著原子序數(shù)的遞增，元素的第一電離能呈現(xiàn)周期性變化。同一族的元素從上至下，伴隨著原子半徑增大，外層電子受原子核的束縛也就變?nèi)?，電離能有減小的趨勢(shì)。因此，那些原子序數(shù)大、容易電離的“大塊頭”元素便成為科學(xué)家特別關(guān)注的對(duì)象。在自然界存在的“大塊頭”元素中，銫（Cs）的第一電離能非常小，只有3.89eV ，而汞（Hg）在常溫下是液態(tài)金屬，更容易獲得氣態(tài)原子注入電離室。于是，在早期為星際航行設(shè)計(jì)的離子推進(jìn)器中，科學(xué)家曾嘗試?yán)娩C和汞作為推進(jìn)劑。然而，金屬銫十分活潑，極易發(fā)生爆炸，而汞的腐蝕性和毒性都較強(qiáng)。離子推進(jìn)技術(shù)的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于可以在太空長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，從安全穩(wěn)定的角度考慮，這兩種元素顯然并不理想，后期也并沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。由于同樣的原因，那些原子序數(shù)雖大，但更加不穩(wěn)定的放射性元素也就被排除在外了。第一個(gè)搭載離子發(fā)動(dòng)機(jī)的航天器SERT-1，帶有一個(gè)8cm直徑的銫離子推進(jìn)器和一個(gè)10 cm直徑的汞離子推進(jìn)器，圖片來(lái)源：NASA 綜合考慮安全性和推進(jìn)效率等因素，人們把目光逐漸投向稀有氣體中的一個(gè)“大塊頭”元素——氙（Xe）。作為一種惰性氣體，原子序數(shù)54的氙位于元素周期表的右下角，化學(xué)性質(zhì)很不活潑，不容易與其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，所以不會(huì)對(duì)電子設(shè)備、傳感器等造成影響。而在各種惰性氣體中，氙的原子序數(shù)較大，是稀有氣體中相對(duì)容易電離的。于是，氙氣已成為目前離子推進(jìn)器中使用最廣泛的燃料，在多個(gè)衛(wèi)星和太空探測(cè)器中都能看到氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)的身影。元素周期表中的稀有氣體（Noble Gases），氙（Xe）之后的稀有氣體元素不再具有穩(wěn)定同位素 然而，氙氣儲(chǔ)量十分稀少，且價(jià)格自然十分昂貴。幾十年前，放在航天發(fā)射的各項(xiàng)巨大花費(fèi)中，還不是非常突出，但伴隨著近年來(lái)航天科技的迅猛發(fā)展和發(fā)射成本的不斷降低，尋找比氙更經(jīng)濟(jì)，甚至實(shí)現(xiàn)更高沖量的推進(jìn)劑成為了一項(xiàng)剛需。一個(gè)比較容易想到的替代元素，是只比氙小一個(gè)周期的稀有氣體氪（Kr）。這雖然是一個(gè)“退而求其次”的選擇，但空氣中氪氣含量是氙氣的十倍，制備價(jià)格僅是后者的六分之一，所以國(guó)內(nèi)外有很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)離子發(fā)動(dòng)機(jī)使用氪氣作為推進(jìn)劑進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。自2018年以來(lái)，氪氣在商業(yè)衛(wèi)星應(yīng)用上備受青睞。比如馬斯克的星鏈計(jì)劃，衛(wèi)星所用的霍爾推進(jìn)器就是以氪為燃料。“星鏈計(jì)劃”將在距地550 千米的72條軌道上各發(fā)射22顆人造衛(wèi)星（共1584顆），圖片來(lái)源：wikimedia commons 近年來(lái)，另一個(gè)備受關(guān)注的“大塊頭”元素是氙的“鄰居”——碘元素。根據(jù)元素電離能的變化規(guī)律，它比氙更容易電離，所需能量要少10%。同時(shí)，碘在地球上儲(chǔ)量豐富，價(jià)格遠(yuǎn)比稀有氣體更加低廉。在常溫常壓下，碘單質(zhì)以帶光澤的紫黑色固體狀態(tài)存在，但只要稍微加熱，碘就會(huì)直接從固體升華為氣體，這無(wú)疑既節(jié)省了寶貴的存儲(chǔ)空間，又省去了高壓儲(chǔ)存液化氙的成本。當(dāng)然，碘作為一種推進(jìn)劑材料也并非完美無(wú)缺。它最大的缺點(diǎn)是具有一定的腐蝕性，會(huì)與很多金屬發(fā)生反應(yīng)。碘與氙另一個(gè)不同在于，碘通常由兩個(gè)碘原子組成的分子存在，雖然理論上有可能產(chǎn)生更大的推力，但這也使電離過(guò)程變得復(fù)雜。多原子分子在電離過(guò)程中有可能解離得到原子態(tài)或者高活性自由基，而并非正離子，導(dǎo)致能量損失，這也是科學(xué)家最初選擇單原子氣體作燃料的重要原因。研究團(tuán)隊(duì)需要對(duì)電離強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)高效的離子化。在前期地面測(cè)試的基礎(chǔ)上，2020年11月，法國(guó)ThrustMe公司科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)以碘為推進(jìn)劑的小型衛(wèi)星，并成功實(shí)現(xiàn)了在軌運(yùn)行。該衛(wèi)星重20公斤，通過(guò)中國(guó)長(zhǎng)征六號(hào)火箭發(fā)射升空。整個(gè)推進(jìn)器裝置非常緊湊，所占空間相當(dāng)于一個(gè)邊長(zhǎng)為10 厘米的立方體，質(zhì)量?jī)H為1.2公斤。針對(duì)碘是固體的特性，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套新的推進(jìn)劑加熱供應(yīng)系統(tǒng)，同時(shí)用陶瓷或聚合物等惰性材料來(lái)保護(hù)推進(jìn)系統(tǒng)的暴露部件。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，這種碘離子推進(jìn)器可以獲得比以氙為燃料的推進(jìn)器更優(yōu)異的性能。ThrustMe公司開(kāi)發(fā)的碘電推進(jìn)器NPT30-I2的外觀(guān)（圖片來(lái)源：www.thrustme.fr）和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[8]） 齊奧爾科夫斯基曾說(shuō)過(guò)：'地球是人類(lèi)的搖籃，但人類(lèi)不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃里。' 爆發(fā)力強(qiáng)勁的化學(xué)火箭使人類(lèi)古老的“飛天“夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn)，而“行穩(wěn)致遠(yuǎn)”的電推動(dòng)離子發(fā)動(dòng)機(jī)，則顯著降低了航天的成本，也使很多之前看似不可能的太空探索項(xiàng)目有了可行性。積跬步以至千里，人類(lèi)探索太空的歷史注定是一場(chǎng)充滿(mǎn)勇氣和挑戰(zhàn)的漫長(zhǎng)征途。相信伴隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，太空旅行對(duì)未來(lái)人類(lèi)將不再是遙不可及的幻想。參考文獻(xiàn)： [1] 于達(dá)仁，劉輝，丁永杰，寧中喜，魏立秋。《空間電推進(jìn)原理》，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社。 [2] 吳漢基，蔣遠(yuǎn)大，張志遠(yuǎn)。電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)，推進(jìn)技術(shù)，2003, (05) 2-9. [3] 張敏。霍爾電推進(jìn)技術(shù)——促成10年后去火星，國(guó)際太空，2016,(12): 42-45 [4] Cho, M.G., Jung, G. & Sung, HG. Performance Parameter Analysis of a Hall Effect Thruster With Modified Bohm Parameter Model. Int. J. Aeronaut. Space Sci. 21, 1028–1036 (2020) [5] Xu, H., He, Y., Strobel, K.L. et al. Flight of an aeroplane with solid-state propulsion. Nature 563, 532–535 (2018). [6] Michael R. Nakles et al. A Performance Comparison of Xenon and Krypton, The 32nd International Electric Propulsion Conference, Weisbaden, Germany, 2011 [7] Patrick Dietz et al. Molecular propellants for ion thrusters, 2019, Plasma Sources Sci. Technol. 28 084001. [8] Rafalskyi, D., Martínez, J.M., Habl, L. et al. In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system. Nature 599, 411–415 (2021). [9] 眼見(jiàn)為實(shí)：你有機(jī)會(huì)進(jìn)行星際旅行嗎？離子引擎，引力彈弓還有曲率飛船，哪項(xiàng)技術(shù)能讓你實(shí)現(xiàn)星際旅行。https://www./watch?v=llU9wAxNF2Y&t=659s 最后，下面的活動(dòng)確定不來(lái)看看？
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