航天新動力

呂松

自從1957年蘇聯發射了人類第一個航天器斯普特尼克1號以來，人們就熱衷于制造更加龐大且有力的火箭。目前，典型的大型火箭有美國的土星五號、俄羅斯的能源號和中國的長征五號，它們能產生幾百噸甚至上千噸的推力，將上百噸重的航天器送入近地軌道。

然而，發射這些火箭需要消耗大量的燃料，運送1千克物資飛向太空需花費7000美元以上的成本。此外，這些火箭的速度也難以滿足需求，只能支撐航天器以每秒11.2千米的速度飛出地球。顯然，這樣的花費和速度是無法達到人類飛向星際大海的要求的。

如果有這樣一種發動機，它的推進速度能達到每小時30萬千米，制造成本低，消耗燃料小，載重更大，那該多好啊！因此，科學家們開發出了電推進發動機。相比于傳統的化學動力火箭，電推進發動機能夠節約90%以上的燃料，發射成本大大降低，噴出的等離子氣體能讓航天器以超過每小時30萬千米的速度飛行，也就是說，從地球到月球僅僅需要1個小時，可謂是風馳電掣。

傳統的化學動力火箭以液氫和液氧作為燃料，經過燃燒后將蘊藏在其中的巨大能量釋放出來，進而產生短暫而巨大的推力。在這一過程中，高速燃氣從發動機噴出，僅僅10分鐘便能消耗掉1000多噸的燃料，這些燃料占火箭總重的90%以上，甚至遠遠超過火箭的載重，可謂是得不償失。

而電推進發動機克服了這一問題，有望成為人類征服星海的新動力。電推進發動機使用來自太陽能電池或核電池的能量。電能通過轉化，用于電離子氣體（例如氙氣和氪氣）的推進劑，然后再利用靜電場或磁場將電離子氣體高速噴出，產生反作用力，推動航天器前進。和大家常見的火箭不同，它噴出的不是明亮耀眼的火焰，而是像科幻電影中的藍光，靜靜地飛向遠方。

傳統的火箭就好比一列從地球飛往太空的高速列車，它的爆發力強大，能夠在短時間內飛出地球，但是它只能向最初指向的方向運行，當燃料耗盡后，便無法再加速、減速，也無法改變飛行方向，這對于人們探索太空是極為不利的。以深空探測為例，以火星以外的天體為目標的探測器，只能在特定的時間段發射，在飛行過程中也只能做有限的調整。倘若計算失誤，昂貴的探測器就會錯過目標，一頭飛向無邊的宇宙，再也無法回來。

而電推進發動機可在太空中持續工作，工作時間僅受到氣體容量的限制。電推進發動機初始推力很小，但可以持續工作幾個月甚至幾年時間。不僅如此，它還可以調節功率大小，靈活加速、減速乃至調整飛行方向，這是傳統火箭做不到的。因此，在航天活動中，它的前景十分廣闊。

美國曾經發射過小行星探測器黎明號，它的任務是對小行星帶中的灶神星進行科學探測。航天器發射后，它花費了5年時間進行加速，在接近目標后，探測器翻轉180°進行減速。這是傳統火箭發動機做不到的。

不過，目前電推進發動機還存在一些問題，急需科學家們解決。黎明號探測器用了5年時間才飛到目標附近。你可能想問， 為什么用了這么久呢？電推進發動機火箭不是要比傳統火箭更快嗎？沒錯，電推進火箭理論速度的確遠超傳統火箭，但目前其一大問題在于推力較小，功率通常在1—10千瓦范圍內，如果想要大規模應用到載人飛行中，還需要不斷提升推力。在這一方面，我國處于世界領先水平。

我國已經研制出20千瓦的大功率電推進發動機，點火時間超過8小時，實現了電推進發動機新的突破。如果航天器安裝了這臺發動機，可以實現持續飛行15年以上。