離子電推進系統

離子電推進系統是屬於非常規推進系統，它藉助電能使工質離解成為帶電粒子，再通過加速這種帶電粒子流來獲得推力。它的排氣速度很高，每秒可達幾十、幾百千米，甚至更高。離子電推進技術具有大幅減少推進劑燃料、操控更靈活、定位更精準、推進速度增量更高等顯著優勢。

傳統的火箭是通過尾部噴出高速的氣體實現向前推進的，能短時間內產生巨大的推力，但工作時間短。離子推進器也是採用同樣的噴氣式原理，它所噴出的是一束帶電粒子或是離子。它所提供的推動力或許相對較弱，但關鍵的是這種離子推進器所需要的燃料要比普通火箭少得多，推力更持久。只要離子推進器能夠長期保持性能穩定，它最終能夠把太空飛船加速到更高的速度。 ^[1] 

利用原子的猛烈撞擊，使原子外層的電子外脱離原子核飛出來，成為帶電的離子，用高壓電場將這些離子加速到每小時15萬公里的速度，高速離子流從噴口噴出，推動火箭前進。這也是一種小功率的火箭，它的壽命很長，可以在10年以上的時間內連續提供小推力。先用大功率的化學火箭將飛行器送入環繞地球的軌道，然後用這種小推力火箭去執行各種特殊任務。一個16噸的飛船，在離子火箭的推動下，不斷加速，只需三年便可到達土星。美國從1964年7月研製這種火箭，第一台離子火箭推力僅為0.3牛。前蘇聯也從1966年10月開始進行試驗。在今後的宇宙航行中，這種小推力火箭將發揮重要作用。 ^[2] 

離子電火箭是一種高比衝(高噴氣速度)、長壽命的新型高效衞星或飛船用發動機，美國1998年發射升空的“深空一號”電火箭工作時，是將經過電場數週甚至數月加速後的離子，以每小時10.46萬公里的速度噴射出去的力量反推前進。儘管粒子產生的推力僅相當於一頁紙的重量，但是在太空微重力環境下，一點點力就可以發揮相當大的作用：連續不斷的推動使“深空一號”的時速每天提高25至32公里，連續300天增加推力就可將時速提高到9700公里。 ^[2] 

最早的離子引擎於1960年左右由美國航宇局的劉易斯研究中心製成，但之後一直處於試驗階段。1998年美國探測彗星的“深空”1號才首次將離子推進器作為主力推進系統應用在深空飛行中。

離子電推進作為先進的空間推進技術，美國和前蘇聯一直都是這種先進技術的壟斷者，直到近年來，相關技術才開始擴散。比如日本的“隼鳥”探測器和歐洲的“智慧”1號探測器等，而且技術已經取得了很大的進步和經濟效益。目前，國際上已經形成了離子電推進和霍爾電推進兩大主流應用產品，並將採用電推進系統作為衡量大容量、長壽命通信衞星平台先進性的重要標誌。歐空局已經將電推進作為未來十大尖端技術之一。

當前，我國航天器工程已對應用電推進系統提出了非常迫切的需求，特別是新一代地球同步軌道衞星平台、深空探測航天器等。這些航天器的方案論證表明：如果不應用電推進系統，衞星平台就不具備先進性，不僅沒有國際競爭力，甚至無法滿足用户的要求；在現有運載條件下，某些深空探測任務將難以實現。 ^[1] 

記者從中國航天科技集團五院510所獲悉，由該所獨立自主研製的我國首台200毫米離子電推進系統，經過“實踐九號”衞星空間飛行試驗驗證後，在長壽命地面考核試驗中持續工作超過1萬小時（約417天，1年又3個月）。這台200毫米離子電推進系統推力40毫牛、比衝3000秒、束流發散角15度、工作壽命10000至15000小時。“實踐九號”衞星搭載這一離子電推進系統進行了長達一年空間飛行試驗驗證，驗證表明該系統表現優異。

這種發動機的價值在於可以消耗極少的工質而提供長期推動力，實現航天器超遠距離宇航。此外，這種發動機質量遠小於化學燃料火箭，可用於長期在軌工作衞星的姿態調整。

510所所長張偉文介紹，目前我國發射的航天器一直由化學燃料執行空間推進職能，為了完成變軌、姿態調整和南北位置保持任務，航天器需要攜帶大量燃料，這不僅佔用空間，還大大增加了自身重量。他舉例説，以一顆15年壽命的高軌道衞星為例，衞星約重4.8噸，其中化學燃料貯箱重量就達3噸。如果採用離子電推進系統替代化學推進，僅南北位置保持就可省去810公斤燃料，如果執行全電推進方案，使衞星“瘦身”至2噸以下，省出來的空間和重量可安裝更多科學設備載荷。

相比以往航天器的推進方式，離子電推進技術具有大幅減少推進劑燃料、操控更靈活、定位更精準、推進速度增量更高等顯著優勢。510所自2007年從工程樣機起步，研製成功200毫米離子電推進系統。隨後，510所於2010年率先承擔了我國第一顆電推進衞星型號任務，在“東方紅三B”衞星平台上用離子電火箭完成南北位保（位置保持）使命，並進入初樣鑑定產品研製階段；在深空探測飛行器型號論證中，經反覆比對論證，我國小行星探測總體單位也於2014年3月決定使用它承擔深空探測主推進任務。 ^[2]  501所在5年內，走完了國外同階段耗時近10年才走完的路。該系統裝載在2012年發射的“實踐九號”衞星上，經過長達一年的在軌飛行試驗考驗，表現優異。專家認為該系統已達到國際先進水平，一些主要技術指標優於國外同類產品。

據悉，2015年前後，電推進系統將有望在我國航天器上全面應用，從而大大提升我國通信衞星系列平台、深空探測航天器、重力場測量衞星、載人航天空間站等航天器的整體技術水平和整器性能 ^[3]  。