[科普中国]-离子火箭

离子火箭是一种小功率的火箭，它的寿命很长，可以在10年以上的时间内连续提供小推力。利用原子的猛烈撞击，使原子外层的电子外脱离原子核飞出来，成为带电的离子。用高压电场将这些离子加速到每小时15万公里的速度，高速离子流从喷口喷出，推动火箭前进先用大功率的化学火箭将飞行器送入环绕地球的轨道，然后用这种小推力火箭去执行各种特殊任务。

介绍离子火箭主要包括电源、推进剂储箱、正离子源、静电加速器（离子枪）电子源等几个部分。推进剂是利用容易电离的碱金属，最好用铯，先使它加热变成蒸汽，然后让铯蒸汽通过高温的松孔钨块，这时铯原子被加热，就会丢失外层的电子，使自己变成带正电的离子（有时不用钨块加热，而利用电子轰击铯原子，也能使其电离）；正离子再被一个具有很大电势差的强电场所加速，以每秒40一100千米的速度喷出火箭，从而使火箭获得推力。离子火箭具有的电场，目前大约是在几毫米的距离内电势下降几千伏，带正电的离子在这样强的电场内，由于静电同性相斥的原理作用，就被以很高的速度推出喷口。为了不使电子在离子火箭发动机内积存起来，在喷口附近要把等量的电子通过电子源喷出加入到正离子流中去。

离子火箭内的电源，则不断地把电能供应给热铯、钨和维持强电场所用。由电能转换成喷出离子的动能，中间要受到一部分能量的损失，所以它的能量只有50%一80%被利用。不过这样的能量利用率，在同其他几种电火箭比较起来，还是最高的。1

离子推力器工作原理离子推进系统具有高喷射速度（>25000m/s）、高效率、长寿命、体积小等特点。在航天器作星际飞行以及深空探测时，航天器需要一个高的速度增量，而离子推力器的特点正满足了这一需求，适于承担航天器推进任务。

离子推力器是通过电能转换成工作介质的动能，再利用力学原理产生反作用力的装置系统。它主要由四个子系统构成：推力器子系统、推进剂供给子系统、供配电子系统、数字控制与接口子系统，如图1所示。

推力器子系统的基本组件有放电室、离子光学引出系统和中和器，如图2所示。在放电室内由空心阴极发射的电子碰撞推进剂原子使之电离，进入放电室，被电离了的离子被离子光学系统加速引出，产生推力。这些离子被加速到所要求的排气速度后，中和器将发射等量的负电子到离子束中，以使航天器表面呈准电中性。推进剂供给子系统主要用于贮存需要的推进剂并在一定的流率下从贮罐中排出推进剂。供配电子系统的作用是把电源转换器提供的电源变换成推力器所要求的电源，并采用相应的过载、电弧、故障和误动作保护。数字接口与控制子系统是对推力器的电源单元提供控制并按照一定的程序使离子推力器完成启动、点火、放电、加高压、引出束流、稳态运行、关机等工作。

从推力器工作原理来看，实现推力器结构的优化及工作性能的提高主要集中在推力器性能研究、等离子体特性研究、推力器性能的空间适应性研究、推力器与航天器的电磁兼容性研究、推力器羽流与航天器相互作用的研究以及推力器数值模型等工作。地面试验主要有：放电室空心阴极性能试验；推力器启动性能试验；离子光学系统性能优化试验；磁场的优化设计试验；流率控制试验；推力器放电室等离子体诊断试验；推力器羽流试验；推力测量。

离子推力器分类根据离子推力器离化方式不同，可以将离子推力器分为：接触式离子推力器、直流放电式离子推力器、电子轰击式离子推力器（即Kaufman型）、射频推力器和场发射离子推力器五种。其中，直流电子轰击式离子推力器在美国已经得到了很大的发展。这些推力器的推力都产生于高速喷射的离子束。

离子火箭的优缺点离子火箭的优点1）离子发动机很经济，可以把大多数输入的能量转化为推力。

2）一台离子发动机可以工作很长时间，因此可以使小型飞行器获得很高的速度，尽管加速过程比较慢。

3）离子发动机的固有安全性很高，因为它不必携带会在外太空燃烧或爆炸的燃料。

离子火箭的不足1）线性粒子加速器需要很大的能量才能工作。目前可以长时间提供这种能量的唯一方式就是核裂变，所以必须有一个船载反应堆。

2）在长途旅行中，获得和携带足够数量的燃料（氢或氦）确实是一个难题。

3）因为离子火箭加速缓慢，所以不能作为航天器的发射装置来将其送入地球轨道。它仅仅适用于已进入太空的飞船。2

应用情况美国从1964年7月研制离子火箭，第一台离子火箭推力仅为0.3牛。前苏联也从1966年10月开始进行试验。在今后的宇宙航行中，这种小推力火箭将发挥重要作用。

中国第一台用水银作推进剂的新型离子火箭发动机试验样机在航天部兰州物理研究所通过部级鉴定。离子火箭发动机是电火箭的一种，是国际上新兴的一门尖端技术，其用途是在卫星被大推力的火箭送入空间轨道后，再用这种火箭发动机对卫星进行精确的位置保持和姿态控制。以水银作推进剂的火箭发动机技术难度大，在国际上尚处在试验阶段。它具备体积小。控制精度高。使用时间长的优点，适应现代长寿命卫星的发展趋势。参加鉴定的中国一些著名火箭发动机专家认为，这台LF8型离子火箭发动机已达到国际同类型离子火箭发动机的先进水平。

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学