在各種媒體報道中，大家應該已經熟悉了火箭的發射場景：伴隨著震耳欲聾的轟鳴聲，橙紅色的火焰從火箭底部噴涌而出，濃密的白煙瞬間籠罩整個發射場，巨大的火箭緩緩升空，逐漸消失在云層之中。這是因為傳統化學火箭本質上是一個巨大的燃燒室，通過燃料和氧化劑的劇烈化學反應，在短時間內釋放出巨大的能量。這樣才能使得這些熾熱的氣體以極高的速度從火箭噴管噴出，產生反向的推力將火箭推向天空。

這是目前唯一實現應用的，能夠克服地球引力、將航天器送入太空的實用技術。這種方式雖然能夠產生巨大的推力，可燃料消耗驚人，火箭總質量的90%以上都被燃料和氧化劑占據。而且化學火箭的速度天花板難以突破，因為根據牛頓第三定律，熾熱的氣體以每秒4.5公里的最高速度噴出時，已是推力的理論極限。這個速度極限帶來了一系列連鎖問題。要理解這一點，我們需要了解齊奧爾科夫斯基火箭方程：這個方程表示了火箭最終能達到的速度取決于噴射速度和質量比（起飛質量與燃料耗盡后質量的比值）。但由于化學反應的能量密度有限，噴射速度被鎖死在一個較低的水平，也就是說要想飛得更遠更快，只能不斷增加燃料。

而攜帶更多燃料需要更大的燃料箱，而更大的燃料箱意味著更重的結構，這又需要更多的燃料來推動.......最終，火箭變成了一個燃料運輸機，真正的有效載荷近乎是微乎其微。

而化學燃料的問題在深空探測任務中變得更加嚴峻。當火箭成功將探測器送入太空后，在浩瀚的宇宙中，探測器需要不斷調整軌道、改變速度、修正航向，最終才能抵達數億公里外的目標。當我們仍然使用化學推進來完成這些任務時，意味著除了發射時消耗的巨量燃料外，還要為太空中的每一次機動攜帶額外的推進劑。以火星探測為例，一個典型的探測器需要攜帶自身質量50%以上的燃料，僅僅是為了完成軌道轉移和制動。如果目標是更遙遠的木星或土星，這個比例會進一步攀升。最終，科學儀器的重量繼續進一步被壓縮，任務能力受到嚴重制約。

面對這個似乎無解的困境，能否跳出化學反應的框架，尋找一種全新的推進方式？于是一個設想被提出：利用電能直接加速帶電粒子。給原子剝離電子使其帶電后，就可以用電場或磁場來加速這些離子，而這就是等離子推進的基本思想。它不再依靠化學能的暴力燃燒，而是借助電磁場的精確操控。

早在1906年，現代火箭之父羅伯特·戈達德就考慮過不通過高溫而將帶電粒子加速的可能性。但直到20世紀60年代，這個設想才在實驗室中初步實現。科學家們把氙氣等惰性氣體注入一個特殊的腔室，用高能電子轟擊這些氣體原子時，原子會失去電子變成帶正電的離子，變成了等離子體。如果還是不太明白，我們先一起回顧一下中學物理：物質通常有三種狀態，固態、液態和氣態。當我們給冰塊加熱，它會融化成水；繼續加熱，水會蒸發成水蒸氣。那么，如果我們繼續給氣體加熱會發生什么？當溫度達到數千度時，氣體分子中的原子開始散架，電子獲得足夠的能量掙脫原子核的束縛，自由地游蕩。這種由自由電子和失去電子的離子組成的混沌狀態，就是等離子體，物質的第四態。

實際上，等離子體在自然界中無處不在：閃電劃過天空的瞬間，空氣被瞬間加熱到極高的溫度，形成了等離子體通道；太陽本質上就是一個巨大的等離子體球，其內部的氫原子在極高溫度下完全電離；就連我們熟悉的霓虹燈發光，也是因為管內的氣體被電離成等離子體。等離子體最大的特點是可以被電磁場操控，電場和磁場可以推拉這些帶電粒子，讓它們按照我們設計的路徑運動。而這正是等離子推進的精髓所在。

在航天領域，其最直觀的優勢就是燃料效率。用比沖這個參數來衡量推進系統的效率，它表示每消耗1千克推進劑能夠產生多少秒的推力。化學火箭的比沖通常在300-450秒之間，而離子推進器足可以達到3000-30000秒。而離子推進器在太空中的工作系統核心就是將電能轉化為離子的動能，通過動量交換產生推力。

第一步是電離過程，這個過程無需在贅述，和前文的電離思路相同，唯一需要關注的是電離效率如何提升。

第二步是靜電加速，我們知道根據能量守恒定律，離子獲得的動能等于其通過的電勢差，所以放電室后端安裝有多層同心圓環狀的金屬柵格系統，通常包括屏柵、加速柵和減速柵。屏柵施加正高電壓，加速柵接負電壓。這種電壓配置形成了強電場，氙離子在電場作用下獲得加速。

第三步是電荷中和。離子束噴出后必須進行中和處理，否則航天器會因電荷積累產生空間電勢，阻礙后續離子噴出。中和器在噴口外釋放與離子束等量的電子。這些電子與離子束混合，使整個羽流呈電中性狀態，確保推進系統能夠持續穩定工作。整個過程中，推力的大小由離子質量流率和噴射速度的乘積決定，雖然單個離子質量極小，但極高的噴射速度就讓總沖量很可觀了。

雖然整體流程大體都是上述的三步走，但是不同的推動器仍有技術區別，傳統離子推進器是最經典的設計，也是我們剛才詳細介紹的類型。它的優點是技術成熟、效率高、比沖極高。但缺點也很明顯：結構復雜，需要精密的多層柵格系統；推力密度低，典型推力僅幾十到幾百毫牛；柵格會被高速離子逐漸侵蝕，限制了使用壽命。美國的NSTAR、NEXT和中國的LIPS系列都屬于這一類。

霍爾推進器則采用了完全不同的思路。它沒有復雜的柵格系統，而是利用垂直的電場和磁場產生的霍爾效應來約束電子，讓它們在環形通道內做螺旋運動。這些被困住的電子不斷與中性原子碰撞產生離子，離子則在電場作用下加速噴出?；魻柾七M器的優勢在于結構簡單、推力密度較高、成本相對較低，已經在超過半數的商業通信衛星上應用。但其比沖不如離子推進器，效率也略低。

可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR）則代表著等離子推進的未來方向。它的原理類似于三級火箭：第一級用射頻波將氣體加熱到幾千度形成冷等離子體；第二級再用離子回旋共振加熱到百萬度以上；第三級通過磁噴管將熱能轉化為定向動能。VASIMR最大的特點是可以像汽車變速箱一樣調節檔位，需要大推力時降低比沖，需要高效率時提高比沖，但它的挑戰在于需要巨大的電力供應，所以目前還處于地面測試階段。

這些不同的技術路線在世界各國都有研究和應用。1998年，美國深空1號探測器首次將離子推進作為主推進系統，開啟了等離子推進的實用化時代。隨后，歐洲、日本相繼在深空探測任務中成功應用了這項技術。

在這場技術競賽中，我國的LIPS系列推進器格外引人注目。2017年4月12日是我國電推進發展史上的重要節點。這一天，搭載LIPS-200離子推進系統的實踐十三號衛星成功發射并在軌點火運行。這不僅標志著中國成為繼美國、俄羅斯、歐洲和日本之后第五個掌握離子電推進技術的國家，更重要的是實現了從實驗室到太空應用的關鍵跨越。但我國科研人員并未止步于此。2019年底，實踐二十號衛星攜帶4臺LIPS-300離子推進器升空，展現了中國在這一領域的最新成果。LIPS-300不僅功率更大、性能更優，更在多個關鍵技術上實現了自主創新。

從火箭發射時的震天轟鳴，到離子推進器的寂靜加速。齊奧爾科夫斯基說過：“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠躺在搖籃里?！比绻f化學火箭幫助我們邁出了搖籃的第一步，那么等離子推進技術，或許就是我們走向宇宙深處的堅實階梯。

參考文獻

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本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

出品丨中國科協科普部

監制丨中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

作者丨蔡文垂 中國科學院大學博士研究生

審核丨白鵬 航天科技集團十一院 研究員

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