离子推进器，助人类走向深空

离子推进器，助人类走向深空

没有螺旋桨，也没有涡轮叶片；无需化石能源，也不需要太阳能驱动——经典科幻电影中的离子风飞行器是否会变成现实？

2018年，美国麻省理工学院研究人员研制出了一架颠覆传统动力系统的飞机，即用正负电极产生的“离子风”作为驱动力。这一成果发表在《自然》杂志之后，旋即引发强烈关注。

离子风推进的原理可以直观地理解为：动力系统中包含前后两个施以强电压的正负电极，前部电极附近的气体被电离成带正电的阳离子，从而与后部的负电极相互吸引，并撞击空气中的中性分子，形成“离子风”驱动飞机前进。

通俗的说：喷气式飞机和火箭都是通过尾部喷出高速的热气体，利用反作用力来产生推力。而离子推进器采用的也是同样的喷气式原理，但与喷射高温气体不同，它所喷出的是一束带电粒子或离子。离子推进器产生的推力虽然比较小，但产生相同推力所需的能源，要比常规火箭少得多。只要离子推进器能够长期稳定地工作，最终也能够把飞行器加速到极高的速度。

实际上，离子推进技术在人造卫星、深空探测等航天领域已有广泛应用。早在1964年，装有离子推进技术的火箭就进行了首次太空试验，1998—2001年，首个由离子推进作为主要动力的航天器“深空1号”成功探测到波瑞利彗星和布雷尔行星。这种离子推进装置通常重约百千克以上，推力往往不到一牛——大致等同于在地球上举起一个鸡蛋的力气。尽管这点推力十分有限，但在太空环境下几乎不受结构重量的限制和空气阻力的影响，这一微小的推力即可满足姿态控制和轨道变动等需求。而且，由于其工质消耗远远小于基于化学燃烧的火箭发动机，使它往往更能够胜任航天器对推进力细水长流的需求。

也正是由于重量太大、推力太小，离子推进装置长久以来并没有被大气层内运行的飞机所接受。举例来说，一架载客160人、起飞重量在80吨级的喷气客机，其单台发动机重约2.4吨，能够产生最大120千牛的推力。如果换成推力相同的离子推进器，则单台发动机重量可能将增至1.2万吨——比整架飞机的重量都大上好几个数量级。

这一次，麻省理工学院的研究人员利用离子推进器制造出了一架小型验证机。该机重2.45千克，翼展5米，采用弹射起飞，在飞行试验中，以每秒4.8米的速度实现了45米左右的稳定飞行，这被认为是人类航空史上首次固态动力装置飞行器的验证飞行。

通过采用锂聚合物电池并引入更加轻便高效的电气系统，上述研究人员为验证机配备的离子风驱动装置单位质量输出功率高出传统转换装置5至10倍，使其最终能够作为大气层内飞机的动力装置。当然，该套装置的推进效率目前仍然无法满足载人飞机的推进需求，且机身表面存在大面积的外露电极。

如同最早的火车跑不过马车一样，新技术的起始往往并不完善。尽管今天的离子驱动飞行器还未超过航模的重量和速度，但该机的试验成功无疑为航空飞行器的动力发展开辟了一条新的道路，为今后开发出更安静、更环保、机械结构更简单的飞机提供了可能性。

总体来说，基于目前的认识和技术能力，离子推进发动机，瞬时推力等性能依然无法与传统化学能发动机相匹敌。但让这两种发动机发挥各自特点互相搭档，可能是未来人类飞向深空的航天器能够采用的最优方案。

在从地面起飞到近地轨道的过程中，使用基于化学能的火箭提供的较大推力摆脱地球引力。在从地球附近飞向深空时，则可以利用离子发动机循序渐进、较为高效的推进能力。更重要的是，离子推进技术带来的效率提升，还有望使深空探测不再依赖于大行星引力的“助攻”（即“借力飞行”），使发射窗口和探测方案的设置更加灵活，有更多的航天器能有机会探索远离地球的深邃太空。就像蒸汽机发明后，人类不再依赖靠风航行的帆船。

在小说《流浪地球》中，当人类面临提前衰老的太阳吞没地球的威胁时，“地球派”在全世界建起了诸多地球发动机，这些发动机就是离子推进系统。他们形成了诸多直插天际的等离子体巨柱，发出如日光灯管一样的蓝白色，推动地球停止转动，并离开太阳系，踏上流浪之路。

流浪的地球像一搜超级宇宙飞船，目的地设置到了遥远的其他星系，等离子体发动机是科幻作者最好的选择。