星际远征的时代近了：电推进技术的崛起

在不远的未来，实用化的全电推航天器将引领人类进入星辰大海时代。

文/邢强博士（微信公众号：小火箭）
星际远征的时代近了：电推进技术的崛起
图1星球大战中的Imperator级驱逐舰的主发动机为离子推进器
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图2 NASA 2.3kW NSTAR离子推进器测试
“霍尔推进”、“全电卫星”、“离子推进”这些概念终于从学术论文和军用卫星项目中发展到了实用化的商业卫星上并进入了公众的视野中。几十年后，当人类在火星基地和远征遥远星际的飞船中回眸航天技术发展的时候，上面提到的三个新闻或许仍能博得人们的会心一笑。我们此时正处在一个人类昂首迈入浩淼的星辰大海的时代，推动我们向前的便是以电推进、光推进、核能推进等技术为代表的星际远征时代的桨与帆。
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图3 齐奥尔科夫斯基
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图4 戈达德有关电推进的一页日记
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图5 戈达德申请的电推进系统专利US1363037-0
先驱的凝望
电推进技术在今天也仅仅算是刚开始摆脱萌芽状态逐渐走向实用，而梦想的眼光却早早地盯住了她。人类宇宙航行之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基留给后人的除了一句“地球是人类的摇篮，但是人类不可能永远活在摇篮里。”和一个火箭推进方程（这个我们在下文讨论霍尔推进与化学推进的区别时将会用到）之外，还留给我们很多有关星际远征的想法。1912年，摇篮叔提出了探索临近恒星的星际远航设想，并将轨道时间设定为10到40年。为了达到远航所需的速度，摇篮叔提出了借助电能将微粒加速到极快的速度并向后喷出，以此来获得使飞船加速的反作用力的方法。也就是说，早在一百多年前，电推进的概念便已形成。
要是继续再去考据电推进技术的来源的话，我们会找到一页发黄的日记。1906年9月6日，一个青年在日记本上写下了自己对高速运动的电子将会拥有巨大潜力的思考。这个青年叫戈达德，那一年他24岁。11年后，已成为克拉克大学助理教授的戈达德提交了一份专利申请，那时他已经对电推进技术进行了一些试验。1920年12月公开的编号为US1363037A的专利成为了大家比较公认的最早的电推进系统。有关戈达德之后的事情，大家或许已经很清楚了，他在1926年发射了人类第一枚液体燃料火箭。跟摇篮叔类似，他也留下了一句话：“昨天的梦想就是今天的希望、明天的现实！”
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图6 装有两台离子推进器的SERT-1试验飞行器
前辈的探索
火箭技术从此突飞猛进，并逐渐影响着人们的幻想和战争的形态。不过，小火箭要和大家一起讨论的是电推进技术，在这里不得不将燃烧液体燃料或固体燃料的化学火箭这一段快进过去了。
1960年6月，NASA刘易斯飞行研究中心（Lewis Research Center）的Kaufman教授研制成功了世界上第一台实用型电推进装置，并将其命名为离子推进器（ion thruster），摘得了电推进领域的桂冠。不过，刘易斯飞行研究中心这个名字现在已经找不到了，1999年该研究中心更名为格伦研究中心。后来有人提出抗议，于是名字又改成了刘易斯领域的格伦研究中心（John H.Glenn Research Centerat Lewis Field）。好在平时大家为了方便，都还是把她叫做格伦研究中心。该中心对改名这件事情有独钟，以前还曾用过“飞行推进研究实验室”和“动力装置研究中心”等名字。
1964年7月20日，两台NASA制造的离子推进器被装到了SERT-1号（Space Electric Rocket Test-1空间电火箭实验1号的缩写）飞行器上由身材苗条的侦察兵火箭发射进入亚轨道，其中一台点火失败，另一台则成功工作了31分16秒，使得首次在太空启动美国制造的离子推进器的荣誉也到了刘易斯研究中心手中（要是一直保持这个名字的话，该研究中心能积累很多项荣誉。或许是因为他们的新项目太多，比较任性吧）。
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图7 电子轰击式离子推进器示意图
这种推进器被称作电子轰击式离子推进器（也有人为了纪念而将其称为Kaufman式离子推进器）属于静电式推进器。一个空心的阴极放电筒向外释放电子。电子在电磁场的加速下争先恐后地去轰击气体室中的气体（比如汞蒸气、铯蒸汽、氪气、氙气等），使气体电离成带正电的离子。这些离子被电场加速后快速喷出，产生推力。另外，一个被称作电子中和枪的装置在不停地向发动机喷出的离子喷流中发射电子，以便中和正离子流，让航天器本身不会积累大量电荷。
1970年，SERT-2号飞行器被发射到1 000km高的极轨道上。上面搭载的以汞离子为工质的两台离子推进器在空间环境中分别工作了2 011小时和3 781小时，并且总共完成了300次开关。美国早期的电推进技术以这种离子推进器（Ion Thruster, 简称IT）为主。离子推进器的比冲可以达到3000s，但是它的结构比较复杂，可靠性不高，仅仅做好推进器的配电装置这一项也足够难为那个年代的工程师们了。另外，汞和铯都需要加热才能产生足够浓度的气体。当离子喷出后，这些汞和铯会凝结并附着在飞行器表面，想想就让人觉得不适。
以研究磁约束核聚变闻名的苏联库尔恰托夫原子能研究所在1954年制成世界上第一台托卡马克装置。而在这之前的1953年，他们就启动了一种名为脉冲等离子体推进器（Pulsed Plasma Thruster, 简称PPT）的电推进系统的研究。不出所料，这种电推进系统后来被划归为电磁式推进系统。在这种发动机的“燃烧室”内，电压高达3kV，工作时间在几十微秒之内的电脉冲将推进剂烧蚀成等离字体。等离子体在电磁场的加速作用下高速向后喷出，形成推力。推进剂通常选用氯化钡或者聚四氟乙烯（就是我们常见的不粘锅涂层）。这种发动机可以通过调节电脉冲的占空比来比较精确地控制推力的大小。另外，用作推进剂的聚四氟乙烯占用体积小，能在高真空度和极低温的环境中长期存放，稳定可靠。
1965年11月，苏联的金星2号深空探测器装上了6台脉冲等离子体推进器向金星进发。这是电推进技术首次应用在深空探测领域。虽然后来该探测器的通讯设备失灵，使得探测器掠过金星后改为绕太阳飞行，但是足以证明电推进技术是可以担当重任的。此后10年，苏联做了一些地面试验和一次空间试验，用来分析脉冲等离子体的喷流对航天器通讯系统的干扰，明显是对逝去的金星2号念念不忘。再后来，莫斯科航空学院继续对这种推进器进行研究，开发出了一系列用于空间精确定向的小型发动机。
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图8 早期的脉冲等离子体推进器。1961年，刘易斯研究中心。
美国也在开发自己的脉冲等离子体推进器（PPT），并且比苏联还要执着。1968年，美国将PPT用在了通讯卫星的位置保持系统上。后来在整个70年代和80年代，PPT成了美国海军导航卫星的老朋友。不仅子午仪导航卫星的后两颗星上用了PPT，就连子午仪卫星的升级版——诺娃系列卫星上也全都采用了PPT来补偿阻力对卫星轨道的干扰。上世纪70年代，美国为了让PPT的应用范围更大些，花了大量人力物力来努力增大PPT的总冲。可惜这项为期10年的项目终于因为没法让电容器的寿命符合要求而作罢，也是蛮拼的。
还有一种电推进的形式是用电阻或者电弧来加热工质。工质受热膨胀后经喷管喷出，产生推力。这种电推进的技术含量比较低，也就不细说了。其实我们日常生活中也能见到这种推进器，比如正在放气的电高压锅。不过，值得一提的是，电热式推进器成本低廉，并且其工质几乎可以是航天器上能找到的可以煮的任何材料，其中当然包括生活垃圾、循环利用之后的宇航员的粪便、尿液的残余物之类的。我们就掩鼻路过算了吧。
至此，我们对静电式、电磁式和电热式三大类电推进系统有了一个初步的了解。其中，静电式推进器我们以电子轰击式推进器为例，电磁式推进器我们以脉冲等离子推进器为例。但是，还有一种推进器，她也属于静电式推进器，但又与电子轰击式推进器不同。她便是已经引起很多人关注的霍尔推进器。
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图9 霍尔效应 1.电子2.导体3.磁铁4.磁场5.电源
霍尔推进
1879年，美国物理学家霍尔于在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电压。这个电压叫做霍尔电压。这一现象便是霍尔效应。
霍尔效应涉及了电场力与磁场力，是库伦与洛伦兹之间的一场角力，当然也是国内高中物理习题中的常客，是美国物理学家对人类的一大贡献。
然而，霍尔推进器是苏联人发明的。
1962年，苏联科学家Morozov莫罗佐夫（不是莫佐罗夫）提出了静态等离子推进器（Stationary Plasma Thruster，简称SPT）的概念。推进剂气体一部分通过阳极进入环形放电室，一部分进入空心阴极。在推进器内部，有一对互相垂直的电场和磁场（电场沿轴向方向，磁场沿径向方向）。空心阴极是一个维持稳定放电的电子源。其产生的电子在径向磁场的洛伦兹力的作用下，形成了一个做圆周运动的电子束。这个电子束便是霍尔电流的来源。霍尔电流在磁场中产生霍尔效应。在轴向电场的相互作用下,欢腾的电子与推进剂激烈碰撞并使推进剂电离。在电磁场的作用下，推进器内部的离子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成推力。
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图10 1991年，当时研究电推进的一些大牛拍了一张合影。离子推进的“掌门”Kaufman和霍尔推进的“掌门”Morozov赫然在列。
另有一种TAL推进器，是带阳极层的静态等离子推进器（SPT），是另一种霍尔推进器，也是苏联人提出来的。但人们对她的研究远不如SPT那样多。因此，从这里开始，霍尔推进器（HL）也就是指的静态等离子推进器（SPT）。
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图11 霍尔推进器示意图
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图12 俄罗斯的霍尔推进器系列
SPT的放电电压是PPT的十分之一左右，因此其可靠性可以做得比PPT更高一些。在上世纪70年代，PPT已经能够实现连续工作几千个小时并维持40%左右的工作效率。1971年，霍尔推进器进行首次太空实验。在苏联的“流星”卫星上，400W的霍尔推进器让卫星的轨道高度提升了16.5km。霍尔推进器的结构简单（虽然其工作原理说起来比较拗口），可靠性高，比冲大（可达3000s以上）并且能够与航天器的其他系统和平相处，于是大受欢迎。苏联在流星、荧光屏和地平线等卫星上广泛应用着霍尔推进器，并快速形成了以SPT命名的发动机系列。
美国在上世纪80年代也对霍尔推进器进行了大量研究，但是其性能却始终难以达到苏联霍尔推进器的水平。不过，一个重大的事件让苏联神秘又先进的霍尔推进器走向了世界。1991年底，苏联解体。这一事件发生后不到100天，4台SPT-70霍尔推进器便出现在了NASA的实验室中。不过大家不要过早惊讶，如果这时候我们去NASA的JPL（喷气推进实验室）看一眼的话，还会发现一台SPT-100霍尔推进器的实验样机。SPT-100是苏联解体前准备为其地球同步轨道卫星装备的大功率霍尔推进器（功率是SPT-70的2倍，总冲是SPT-70的3倍）。
1992年，美国、俄罗斯和法国联合成立了国际空间技术公司。SPT-100霍尔推进器成了国际明星。1993年，法国与俄罗斯法克尔(Fakel)设计局联合成立了科研团队，并在法国和俄罗斯的共同专利下生产了PPS-1350霍尔推进器。（提到俄罗斯法克尔设计局，很多人会立刻想到鼎鼎大名的S-300和S-400等防空导弹，实际上该设计局对空间电推进技术的研究也是非常厉害的。）
2001年，一枚阿丽亚娜-5号火箭将法国通讯卫星STENTOR送入轨道。该卫星上面安装了两台SPT-100和两台PPS-1350共4台霍尔推进器。
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图13 Smart-1
再往后，我们大家熟知的SMART-1就登场啦。2003年9月27日欧空局ESA第一个月球探测器SMART-1发射升空。欧空局对该探测器的介绍让更多人了解了霍尔推进器。当我们知道该推进器的型号是PPS-1350G的时候，也就能大概知道这背后的渊源了。
全电卫星与星际远征
当离子推进器的工质采用氙后，就成了氙离子推进器（XIPS），该推进器与稳态等离子推进器（SPT）（属于霍尔推进器的一种）一起，成为目前和可预见的将来使用得最为广泛的电推进系统。
2005年发射的AMC 12和AMC 23卫星、2006年发射的TacSat-2卫星、2010年发射的美国军用通讯卫星USA-214和美国军用小卫星USA-221、2012年发射的美国国家侦察局USA-235等卫星都使用了霍尔推进器。
2001年至2006年期间发射的以休斯公司的“HS-601HP”平台为基础的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亚洲4号、Galaxy 13、MEASAT 3等卫星和深空1号探测器、黎明号探测器以及2015年3月初发射的波音702SP（世界上首款全电推进卫星）则采用了氙离子推进器。
于是，有人说电推进技术将会立刻替代化学推进技术成为卫星和深空探测器的主要动力。但是也有人认为电推进技术尚处在萌芽阶段，尤其是推力太小，尚不能马上全面替代化学推进技术。这个问题我们得详细分析。
的确，无论是霍尔推进器还是氙离子推进器，它们的推力都实在是太小了。以深空1号为例，无论是发动机功率还是推力，深空1号的离子推进器都已经算是同类推进器中较大的了。她上面搭载的离子推进器功率为2.3kW，峰值推力约为92mN。一张80g的A4纸的质量约为4.99g。这张纸在咱们地球上所受的重力约为48.9mN。也就是说，深空1号探测器的离子推进器火力全开的时候，其推力也不足以吹起两张A4纸。
但是，就是这样纤弱的力量，却能够在近地轨道卫星和远程星际探索中使离子推进器和霍尔推进器胜过火力威猛的化学推进器。我们不再去比较化学推进器和电推进器在比冲方面的差别，这样的比较已出现在大量的文献中，而结论也无非是：双组元化学推进系统的比冲一般在300s左右，而波音702SP全电卫星上的XIPS-25电推进系统的比冲已经达到了3800s以上，因此电推进系统比化学推进系统优越很多。这样的评价显得有些抽象。
在这里，我们比较的是二者的喷气速度。并祭出先驱齐奥尔科夫斯基（摇篮叔）的大杀器——火箭方程来给化学推进和电推进二者做个了断。
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图14 火箭方程
“天下武功，唯快不破”这句名言（李小龙、火云邪神等）道出了火箭推进系统的真谛。从摇篮叔的火箭方程中，我们可以看到，影响火箭最终速度（或者说速度增量）的因素有两个：一个是发动机的喷气速度ve，另一个是火箭发射质量m0与扣除燃料后的干质量m1的比值。如果火箭的喷流拥有很快的速度，那么就会给火箭带来很大的优势。
优势一：在同样的速度增量的要求下，较大的喷气速度意味着较小的发射质量与干质量的比值。对于带有同样载荷的卫星来说，其发射质量会大幅减小。
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图15 波音702SP全电卫星
以波音702SP全电卫星为例，该星的星体结构和设备的总质量为2 350kg。如果用肼为燃料，按照传统方式来把这颗卫星送入地球静止轨道的话，卫星自己需要携带1 650kg燃料，这颗卫星的发射质量将会是4 000kg。而现在，该星采用全电推进方式来将自己送入同样的轨道，只需要携带150kg的氙。加上星体结构和设备的质量，该星的发射质量变成了约2 000kg（不需携带化学火箭发动机，只用带上轻巧的离子发动机，又省去了一些质量）。按照目前的价格来算，仅发射费用就可以省下将近6 000万美元。另外，2吨级的卫星质量使得能够发射波音702SP卫星的火箭种类变得更多，使该星有更好的议价能力，还能让很多火箭以“一箭双星”的形式来发射她们。
实际上，波音702SP全电卫星的能力被低估了。以这样的星体，稍作改装，带满氙的话，她是能够轻松飞到火星轨道的。如果我们等得起，该星还能飞到土星轨道。
对于要在轨道上长期服役的卫星来说，电推进的优势就更明显了。一颗寿命达15年重4.8吨的以化学火箭来维持轨道高度的卫星，其燃料储箱中带的燃料重达3吨。有效载荷的质量差不多只有燃料质量的一半。如果将这颗卫星升级为电推进卫星的话，只需不到200kg的氙就能完成同样的使命。卫星的发射质量将不到2吨。
不过，电推进系统的推进器的推力太小了，使得卫星的入轨过程变得相当漫长。这就对卫星的寿命和抗辐射能力提出了不小的挑战。弄不好，卫星可能最终赢得了轨道却输给了岁月。
以下是小火箭对三颗卫星进行变轨的轨道设计。这三颗卫星除了星上变轨发动机的推力大小不同外，其他参数全都一样。初始轨道高度为20 000km，初始轨道倾角为60°。要求变轨后，轨道高度变为36 000km，轨道倾角变为0°。第一颗卫星的变轨发动机能够让卫星产生0.1m/s2的加速度，第二颗卫星的变轨发动机的推力是第一颗卫星的十分之一，第三颗卫星的变轨发动机的推力是第二颗卫星的十分之一。通过计算，我们得到三颗卫星完成变轨所用的时间依次为：14.24小时、5.93天和59.34天。（要注意，电推进卫星的轨道不是笔者故意设计成这个样子的，实在是因为推力太小，只好慢慢地磨蹭过去了。）
有些小推力变轨机动需要6个月甚至1年的时间来完成。
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图16 大推力变轨
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图17 中推力变轨
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图18 小推力变轨
优势二：电推进系统即使在目前这个萌芽状态下，也已经能够赋予深空探测器以极快的速度，并且这样的速度是化学推进器难以企及的。
这个优势用文字描述的话，终会显得枯燥。不妨让化学推进和电推进各选出一个代表来进行一场星际赛跑，用数据来说明问题。
一场星际赛跑
我们不妨用发射质量达到了轻巡洋舰级别的土星5号火箭上面的F1液氧煤油发动机与总重不到500kg的深空1号来一场星际赛跑（不考虑其他天体的影响，只在真空中划出两条直线供比较）。
一台F1液氧煤油发动机的推力为6 909kN（大约能举起705吨的重物，相当于54辆加长型公交车），比航天飞机的三台主发动机的推力加起来还要大（约为航天飞机主发动机推力的3.8倍）。这个大家伙1秒钟就要烧掉约2.66吨燃料。在阿波罗计划中，F1发动机的工作时间约为159s，燃气喷流的速度约为2 596m/s。单台F1发动机需要燃料423.099吨。我们按照火箭燃料占火箭总质量的85%这一指标来设计一枚参赛用的火箭，则火箭的发射质量为497.3235吨，其中F1发动机本身的燃尽质量为9.15吨。
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图19 冯·布劳恩站在土星5号火箭旁。注意F1发动机的巨大喷口。
深空1号探测器的离子推进器的推力约92mN，连两张叠在一起的A4纸都吹不起来。该推进器要用5天零19个小时的时间才能用去1kg燃料。深空1号的发射质量为486.3kg，其中燃料只有81.5kg（约占16.8%）。深空1号上的推进器有一个指标非常耀眼：喷流的速度为43 000m/s（是F1发动机的16.6倍，约为真空中光速的1.4万分之一）。
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图20 深空1号探测器
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图21 深空1号探测器上的太阳能离子推进器
比赛一开始仿佛没有什么悬念，F1发动机力量强，加速快，10s后，她的速度已经达到了142.6m/s（时速513.4公里）。而深空1号探测器并不着急，此时她的速度为1.88mm/s，得仔细看才能确信她在动。159s后，F1发动机已飞出274.6公里，并且将最终速度锁定在4.925km/s。此时，深空1号飞出了2.374米，速度2.98cm/s，还处在爬行的状态。
或许有人会认为这时应该结束比赛并宣布化学火箭F1完胜了。毕竟，274.6公里与2.374米的差距还是蛮大的，如果他们都是从北京出发的话，F1已经到了大河北省的衡水市，而深空1号刚刚从床上爬起来走向卫生间。不过，星际赛跑拼的是最终速度，而不是短距离的冲刺速度。从159s之后，F1的速度就不再增加，而深空1号则锲而不舍地做着加速运动。15个小时过去了，深空1号来到了F1发动机达到她的最大速度的地方（衡水），时速为36.5公里。那些曾经笑话她比蜗牛还慢的人，此时骑着自行车也很难追上她了。不过，她离F1还是越来越远。抬头望去，F1在25.45万公里处。1天后，深空1号走了700多公里，时速为57.6公里。3天后，深空1号的时速超过了175公里，并且走了6300公里远。6个月过去了，深空1号的速度达到了3km/s，距离F1还有5千万公里。10个月后，奇迹出现了。深空1号的速度居然超过了F1，达到了5.1km/s。14个多月后，深空1号的燃料终于燃烧殆尽，她达到了她的最终速度：7.89km/s。18个多月后，深空1号赶上并超过了F1。这时，她们已经飞了2.23亿公里。深空1号在F1进入木星轨道之前超过了她，并且将会一直保持着领先的优势。
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图22 F1火箭与深空1号（DS-1）的比赛
这场史诗级的赛跑最终以电推进的胜利而告终。但是，深空1号这个选手其实并没有为参加比赛而进行特殊改装。为了充分表现电推进系统在星际远征时代能够达到多大的最终速度，我们给她加注了足够的燃料，像填满化学火箭那样，让其燃料质量占发射质量的85%。那么，电推进系统最终能使探测器的速度达到81.58km/s！这个速度足够让探测器飞出太阳系，飞向浩淼的星辰大海。
当然，我们也不能盲目乐观。以这个速度在太阳系内进行短途旅行还是可以接受的，但是想要进行太阳系外的星际远征，还是有些慢。以目前的电推进系统为动力的星际飞船，到达离咱们最近的恒星半人马座α星C需要3 677年，实在是有些太漫长了。因此，星际远征的时代只能说是近了，而不能说是到了。
用电推进系统从地面进入地球轨道
电推进系统能不能在大气层内高效运行呢？想要告别化学火箭，用电推进系统来让航天器入轨可行么？星际远征的飞船能不能就这么从地面起飞然后直接奔向远方呢？既然科幻电影里面大多是这么演的，咱们也就不得不这么算一算。
目前推力很大的电推进系统中有个叫NEXT的。她是NASA的得意之作，功率达到了6.9kW，是深空1号和黎明号上用的离子推进器的3倍。她的效率能够达到70%。以她为动力的探测器能够将4吨重的载荷送到土星轨道上。而她的推力有多大呢？只有0.236N。也就是说，在地球上，两台NEXT离子发动机的推力加起来能够勉强举起一个个头儿比较小的鸡蛋。
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图23 NASA的NEXT离子推进器
单台电推进系统的推力较小，咱们把她们捆绑起来一起启动会怎样呢？10台不够的话，绑个百万台怎样？
捆绑是解决不了问题的。NEXT的质量与功率比是4.8，也就是说1kW的功率对应1kg的发动机质量。这个值在电推进系统中算是比较小的了，上一代的离子推进器的质量功率比普遍在6左右。如此看来，电推进发动机连自己的外壳都抬不动，捆绑再多也是无济于事的。目前看来只能寄希望于人们把质量功率比做得越来越小，当电推进系统至少能把自己推起来的时候，事情就好办一些了。
不过，我们可不想就这么坐等那一天的到来，还是折腾一番才能对得起这大开的脑洞吧。按照目前离子推进器（其实霍尔推进器也差不多）的功率与推力的比例关系，我们极大地变大推进器的尺寸，然后将其安装到一艘100吨重的星际飞船上。那么，我们需要飞船的动力系统提供给推进器的电功率至少为28 653兆瓦才能使飞船飞离地面，需要约115 000兆瓦以上的电功率才能让飞船以现今化学火箭的加速度发射。这样大的电功率是什么概念呢？2009年8月14日，长江迎来了一个汛期洪峰。当天，三峡水电站首次实现投产后的满负荷发电，发出的功率为1 820万千瓦，也就是18 200兆瓦。要想让100吨重的星际飞船进入近地轨道的话，需要这艘飞船的电功率顶得上6.3个三峡水电站。
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图24 HTRE-3核动力发动机
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图25 核动力与电推进的结合
但是就算这样的超级发电装置已经能够装到飞船上，电推进系统在地面起飞阶段仍然还是比较困难的。这个困难不仅来自于技术本身，还来自于对发射成本的考虑。无论是离子推进还是霍尔推进，都需要以高速喷出的离子为工质。氙以其易电离、离子重和对飞行器比较友好等特点成为了电推进系统中的优质工质，而且目前尚难被其他工质替代（即使用氙的近亲氪来代替，效率也会骤降15%左右）。但是，氙实在是太稀少了，在地球大气层中的含量只有1 150万分之一。提取1升的氙气需要消耗220度电。在起飞阶段，为了产生大推力，需要将工质以很大的质量流量喷出去。按照目前的电推进系统的技术水平，喷流速度能够达到43 000m/s，那么为了把星际飞船发到近地轨道，每秒钟至少要消耗91.16kg的氙。要知道，81kg的氙就足够让一个半吨重的探测器去探测彗星了。
因此，即使今后电推进技术得到了极大发展，出现了十万兆瓦级的电推进器或者推力为数万牛的霍尔推进器，也不会用这样的推进器来把星际飞船从地面发射到近地轨道，因为这实在是过于暴殄天物了。当然，如果人类科技那时候已经发达到能够在木星大气层中提取氙气的话则另当别论。
那还是考虑一下其他方案吧。大功率、小体积、又得带一点一去不回头的悲壮感觉，这不是明摆着让我们用核动力么！早在上世纪50年代，处于冷战中的美国就推出了HTRE-1到HTRE-3等多种核动力飞行器推进设备。把这些改装一下用在星际飞船再合适不过了。
核动力与电推进的结合将成为人类远征深空的不二选择。用核能发电，在起飞阶段，将液态氢喷到核发电系统的热交换器上，并高速喷出，产生强大的推力，将飞船推向近地轨道。在太空环境中，采用氙为工质，用离子推进或者霍尔推进的方式，让飞船持续加速，直到达到令人满意的星际航行速度。由于电能是必须的，包括核反应堆和热交换器这类的设备本来就是离子推进系统的一部分。因此在起飞阶段工作的氢推进系统不会给整个飞船增加多少额外设备。另外，如果这艘飞船飞往火星的话，这样的配置就更好了。飞船的核能发电系统将在火星上继续发挥作用。我们要多带一些液态氢，因为火星大气中的二氧化碳的浓度很高，而氢气和水蒸气则很少。飞船携带的氢元素将帮助我们建设有自持能力的基地。有氢、有碳、有氧、有电，我们别无他求。
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核动力与电推进的结合能使飞船在大推力小比冲和小推力大比冲的两个工作状态之间自由切换。由于不必像化学火箭那样造成多级的，我们的单级入轨星际远征飞船会呈薄饼飞碟状，以便在起飞和降落阶段利用空气动力的作用。
让电推进系统的力量更大一些吧！
让星际远征的时代来得更早一些吧！
让氙和电以及勇气的力量，
不仅为我们驱散黑暗，
也推动我们勇往直前！
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图1星球大战中的Imperator级驱逐舰的主发动机为离子推进器
星际远征的时代近了：电推进技术的崛起
图2 NASA 2.3kW NSTAR离子推进器测试
“霍尔推进”、“全电卫星”、“离子推进”这些概念终于从学术论文和军用卫星项目中发展到了实用化的商业卫星上并进入了公众的视野中。几十年后，当人类在火星基地和远征遥远星际的飞船中回眸航天技术发展的时候，上面提到的三个新闻或许仍能博得人们的会心一笑。我们此时正处在一个人类昂首迈入浩淼的星辰大海的时代，推动我们向前的便是以电推进、光推进、核能推进等技术为代表的星际远征时代的桨与帆。
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图3 齐奥尔科夫斯基
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图4 戈达德有关电推进的一页日记
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图5 戈达德申请的电推进系统专利US1363037-0
先驱的凝望
电推进技术在今天也仅仅算是刚开始摆脱萌芽状态逐渐走向实用，而梦想的眼光却早早地盯住了她。人类宇宙航行之父康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基留给后人的除了一句“地球是人类的摇篮，但是人类不可能永远活在摇篮里。”和一个火箭推进方程（这个我们在下文讨论霍尔推进与化学推进的区别时将会用到）之外，还留给我们很多有关星际远征的想法。1912年，摇篮叔提出了探索临近恒星的星际远航设想，并将轨道时间设定为10到40年。为了达到远航所需的速度，摇篮叔提出了借助电能将微粒加速到极快的速度并向后喷出，以此来获得使飞船加速的反作用力的方法。也就是说，早在一百多年前，电推进的概念便已形成。
要是继续再去考据电推进技术的来源的话，我们会找到一页发黄的日记。1906年9月6日，一个青年在日记本上写下了自己对高速运动的电子将会拥有巨大潜力的思考。这个青年叫戈达德，那一年他24岁。11年后，已成为克拉克大学助理教授的戈达德提交了一份专利申请，那时他已经对电推进技术进行了一些试验。1920年12月公开的编号为US1363037A的专利成为了大家比较公认的最早的电推进系统。有关戈达德之后的事情，大家或许已经很清楚了，他在1926年发射了人类第一枚液体燃料火箭。跟摇篮叔类似，他也留下了一句话：“昨天的梦想就是今天的希望、明天的现实！”
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图6 装有两台离子推进器的SERT-1试验飞行器
前辈的探索
火箭技术从此突飞猛进，并逐渐影响着人们的幻想和战争的形态。不过，小火箭要和大家一起讨论的是电推进技术，在这里不得不将燃烧液体燃料或固体燃料的化学火箭这一段快进过去了。
1960年6月，NASA刘易斯飞行研究中心（Lewis Research Center）的Kaufman教授研制成功了世界上第一台实用型电推进装置，并将其命名为离子推进器（ion thruster），摘得了电推进领域的桂冠。不过，刘易斯飞行研究中心这个名字现在已经找不到了，1999年该研究中心更名为格伦研究中心。后来有人提出抗议，于是名字又改成了刘易斯领域的格伦研究中心（John H.Glenn Research Centerat Lewis Field）。好在平时大家为了方便，都还是把她叫做格伦研究中心。该中心对改名这件事情有独钟，以前还曾用过“飞行推进研究实验室”和“动力装置研究中心”等名字。
1964年7月20日，两台NASA制造的离子推进器被装到了SERT-1号（Space Electric Rocket Test-1空间电火箭实验1号的缩写）飞行器上由身材苗条的侦察兵火箭发射进入亚轨道，其中一台点火失败，另一台则成功工作了31分16秒，使得首次在太空启动美国制造的离子推进器的荣誉也到了刘易斯研究中心手中（要是一直保持这个名字的话，该研究中心能积累很多项荣誉。或许是因为他们的新项目太多，比较任性吧）。
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图7 电子轰击式离子推进器示意图
这种推进器被称作电子轰击式离子推进器（也有人为了纪念而将其称为Kaufman式离子推进器）属于静电式推进器。一个空心的阴极放电筒向外释放电子。电子在电磁场的加速下争先恐后地去轰击气体室中的气体（比如汞蒸气、铯蒸汽、氪气、氙气等），使气体电离成带正电的离子。这些离子被电场加速后快速喷出，产生推力。另外，一个被称作电子中和枪的装置在不停地向发动机喷出的离子喷流中发射电子，以便中和正离子流，让航天器本身不会积累大量电荷。
1970年，SERT-2号飞行器被发射到1 000km高的极轨道上。上面搭载的以汞离子为工质的两台离子推进器在空间环境中分别工作了2 011小时和3 781小时，并且总共完成了300次开关。美国早期的电推进技术以这种离子推进器（Ion Thruster, 简称IT）为主。离子推进器的比冲可以达到3000s，但是它的结构比较复杂，可靠性不高，仅仅做好推进器的配电装置这一项也足够难为那个年代的工程师们了。另外，汞和铯都需要加热才能产生足够浓度的气体。当离子喷出后，这些汞和铯会凝结并附着在飞行器表面，想想就让人觉得不适。
以研究磁约束核聚变闻名的苏联库尔恰托夫原子能研究所在1954年制成世界上第一台托卡马克装置。而在这之前的1953年，他们就启动了一种名为脉冲等离子体推进器（Pulsed Plasma Thruster, 简称PPT）的电推进系统的研究。不出所料，这种电推进系统后来被划归为电磁式推进系统。在这种发动机的“燃烧室”内，电压高达3kV，工作时间在几十微秒之内的电脉冲将推进剂烧蚀成等离字体。等离子体在电磁场的加速作用下高速向后喷出，形成推力。推进剂通常选用氯化钡或者聚四氟乙烯（就是我们常见的不粘锅涂层）。这种发动机可以通过调节电脉冲的占空比来比较精确地控制推力的大小。另外，用作推进剂的聚四氟乙烯占用体积小，能在高真空度和极低温的环境中长期存放，稳定可靠。
1965年11月，苏联的金星2号深空探测器装上了6台脉冲等离子体推进器向金星进发。这是电推进技术首次应用在深空探测领域。虽然后来该探测器的通讯设备失灵，使得探测器掠过金星后改为绕太阳飞行，但是足以证明电推进技术是可以担当重任的。此后10年，苏联做了一些地面试验和一次空间试验，用来分析脉冲等离子体的喷流对航天器通讯系统的干扰，明显是对逝去的金星2号念念不忘。再后来，莫斯科航空学院继续对这种推进器进行研究，开发出了一系列用于空间精确定向的小型发动机。
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图8 早期的脉冲等离子体推进器。1961年，刘易斯研究中心。
美国也在开发自己的脉冲等离子体推进器（PPT），并且比苏联还要执着。1968年，美国将PPT用在了通讯卫星的位置保持系统上。后来在整个70年代和80年代，PPT成了美国海军导航卫星的老朋友。不仅子午仪导航卫星的后两颗星上用了PPT，就连子午仪卫星的升级版——诺娃系列卫星上也全都采用了PPT来补偿阻力对卫星轨道的干扰。上世纪70年代，美国为了让PPT的应用范围更大些，花了大量人力物力来努力增大PPT的总冲。可惜这项为期10年的项目终于因为没法让电容器的寿命符合要求而作罢，也是蛮拼的。
还有一种电推进的形式是用电阻或者电弧来加热工质。工质受热膨胀后经喷管喷出，产生推力。这种电推进的技术含量比较低，也就不细说了。其实我们日常生活中也能见到这种推进器，比如正在放气的电高压锅。不过，值得一提的是，电热式推进器成本低廉，并且其工质几乎可以是航天器上能找到的可以煮的任何材料，其中当然包括生活垃圾、循环利用之后的宇航员的粪便、尿液的残余物之类的。我们就掩鼻路过算了吧。
至此，我们对静电式、电磁式和电热式三大类电推进系统有了一个初步的了解。其中，静电式推进器我们以电子轰击式推进器为例，电磁式推进器我们以脉冲等离子推进器为例。但是，还有一种推进器，她也属于静电式推进器，但又与电子轰击式推进器不同。她便是已经引起很多人关注的霍尔推进器。
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图9 霍尔效应 1.电子2.导体3.磁铁4.磁场5.电源
霍尔推进
1879年，美国物理学家霍尔于在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电压。这个电压叫做霍尔电压。这一现象便是霍尔效应。
霍尔效应涉及了电场力与磁场力，是库伦与洛伦兹之间的一场角力，当然也是国内高中物理习题中的常客，是美国物理学家对人类的一大贡献。
然而，霍尔推进器是苏联人发明的。
1962年，苏联科学家Morozov莫罗佐夫（不是莫佐罗夫）提出了静态等离子推进器（Stationary Plasma Thruster，简称SPT）的概念。推进剂气体一部分通过阳极进入环形放电室，一部分进入空心阴极。在推进器内部，有一对互相垂直的电场和磁场（电场沿轴向方向，磁场沿径向方向）。空心阴极是一个维持稳定放电的电子源。其产生的电子在径向磁场的洛伦兹力的作用下，形成了一个做圆周运动的电子束。这个电子束便是霍尔电流的来源。霍尔电流在磁场中产生霍尔效应。在轴向电场的相互作用下,欢腾的电子与推进剂激烈碰撞并使推进剂电离。在电磁场的作用下，推进器内部的离子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成推力。
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图10 1991年，当时研究电推进的一些大牛拍了一张合影。离子推进的“掌门”Kaufman和霍尔推进的“掌门”Morozov赫然在列。
另有一种TAL推进器，是带阳极层的静态等离子推进器（SPT），是另一种霍尔推进器，也是苏联人提出来的。但人们对她的研究远不如SPT那样多。因此，从这里开始，霍尔推进器（HL）也就是指的静态等离子推进器（SPT）。
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图11 霍尔推进器示意图
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图12 俄罗斯的霍尔推进器系列
SPT的放电电压是PPT的十分之一左右，因此其可靠性可以做得比PPT更高一些。在上世纪70年代，PPT已经能够实现连续工作几千个小时并维持40%左右的工作效率。1971年，霍尔推进器进行首次太空实验。在苏联的“流星”卫星上，400W的霍尔推进器让卫星的轨道高度提升了16.5km。霍尔推进器的结构简单（虽然其工作原理说起来比较拗口），可靠性高，比冲大（可达3000s以上）并且能够与航天器的其他系统和平相处，于是大受欢迎。苏联在流星、荧光屏和地平线等卫星上广泛应用着霍尔推进器，并快速形成了以SPT命名的发动机系列。
美国在上世纪80年代也对霍尔推进器进行了大量研究，但是其性能却始终难以达到苏联霍尔推进器的水平。不过，一个重大的事件让苏联神秘又先进的霍尔推进器走向了世界。1991年底，苏联解体。这一事件发生后不到100天，4台SPT-70霍尔推进器便出现在了NASA的实验室中。不过大家不要过早惊讶，如果这时候我们去NASA的JPL（喷气推进实验室）看一眼的话，还会发现一台SPT-100霍尔推进器的实验样机。SPT-100是苏联解体前准备为其地球同步轨道卫星装备的大功率霍尔推进器（功率是SPT-70的2倍，总冲是SPT-70的3倍）。
1992年，美国、俄罗斯和法国联合成立了国际空间技术公司。SPT-100霍尔推进器成了国际明星。1993年，法国与俄罗斯法克尔(Fakel)设计局联合成立了科研团队，并在法国和俄罗斯的共同专利下生产了PPS-1350霍尔推进器。（提到俄罗斯法克尔设计局，很多人会立刻想到鼎鼎大名的S-300和S-400等防空导弹，实际上该设计局对空间电推进技术的研究也是非常厉害的。）
2001年，一枚阿丽亚娜-5号火箭将法国通讯卫星STENTOR送入轨道。该卫星上面安装了两台SPT-100和两台PPS-1350共4台霍尔推进器。
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图13 Smart-1
再往后，我们大家熟知的SMART-1就登场啦。2003年9月27日欧空局ESA第一个月球探测器SMART-1发射升空。欧空局对该探测器的介绍让更多人了解了霍尔推进器。当我们知道该推进器的型号是PPS-1350G的时候，也就能大概知道这背后的渊源了。
全电卫星与星际远征
当离子推进器的工质采用氙后，就成了氙离子推进器（XIPS），该推进器与稳态等离子推进器（SPT）（属于霍尔推进器的一种）一起，成为目前和可预见的将来使用得最为广泛的电推进系统。
2005年发射的AMC 12和AMC 23卫星、2006年发射的TacSat-2卫星、2010年发射的美国军用通讯卫星USA-214和美国军用小卫星USA-221、2012年发射的美国国家侦察局USA-235等卫星都使用了霍尔推进器。
2001年至2006年期间发射的以休斯公司的“HS-601HP”平台为基础的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亚洲4号、Galaxy 13、MEASAT 3等卫星和深空1号探测器、黎明号探测器以及2015年3月初发射的波音702SP（世界上首款全电推进卫星）则采用了氙离子推进器。
于是，有人说电推进技术将会立刻替代化学推进技术成为卫星和深空探测器的主要动力。但是也有人认为电推进技术尚处在萌芽阶段，尤其是推力太小，尚不能马上全面替代化学推进技术。这个问题我们得详细分析。
的确，无论是霍尔推进器还是氙离子推进器，它们的推力都实在是太小了。以深空1号为例，无论是发动机功率还是推力，深空1号的离子推进器都已经算是同类推进器中较大的了。她上面搭载的离子推进器功率为2.3kW，峰值推力约为92mN。一张80g的A4纸的质量约为4.99g。这张纸在咱们地球上所受的重力约为48.9mN。也就是说，深空1号探测器的离子推进器火力全开的时候，其推力也不足以吹起两张A4纸。
但是，就是这样纤弱的力量，却能够在近地轨道卫星和远程星际探索中使离子推进器和霍尔推进器胜过火力威猛的化学推进器。我们不再去比较化学推进器和电推进器在比冲方面的差别，这样的比较已出现在大量的文献中，而结论也无非是：双组元化学推进系统的比冲一般在300s左右，而波音702SP全电卫星上的XIPS-25电推进系统的比冲已经达到了3800s以上，因此电推进系统比化学推进系统优越很多。这样的评价显得有些抽象。
在这里，我们比较的是二者的喷气速度。并祭出先驱齐奥尔科夫斯基（摇篮叔）的大杀器——火箭方程来给化学推进和电推进二者做个了断。
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图14 火箭方程
“天下武功，唯快不破”这句名言（李小龙、火云邪神等）道出了火箭推进系统的真谛。从摇篮叔的火箭方程中，我们可以看到，影响火箭最终速度（或者说速度增量）的因素有两个：一个是发动机的喷气速度ve，另一个是火箭发射质量m0与扣除燃料后的干质量m1的比值。如果火箭的喷流拥有很快的速度，那么就会给火箭带来很大的优势。
优势一：在同样的速度增量的要求下，较大的喷气速度意味着较小的发射质量与干质量的比值。对于带有同样载荷的卫星来说，其发射质量会大幅减小。
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图15 波音702SP全电卫星
以波音702SP全电卫星为例，该星的星体结构和设备的总质量为2 350kg。如果用肼为燃料，按照传统方式来把这颗卫星送入地球静止轨道的话，卫星自己需要携带1 650kg燃料，这颗卫星的发射质量将会是4 000kg。而现在，该星采用全电推进方式来将自己送入同样的轨道，只需要携带150kg的氙。加上星体结构和设备的质量，该星的发射质量变成了约2 000kg（不需携带化学火箭发动机，只用带上轻巧的离子发动机，又省去了一些质量）。按照目前的价格来算，仅发射费用就可以省下将近6 000万美元。另外，2吨级的卫星质量使得能够发射波音702SP卫星的火箭种类变得更多，使该星有更好的议价能力，还能让很多火箭以“一箭双星”的形式来发射她们。
实际上，波音702SP全电卫星的能力被低估了。以这样的星体，稍作改装，带满氙的话，她是能够轻松飞到火星轨道的。如果我们等得起，该星还能飞到土星轨道。
对于要在轨道上长期服役的卫星来说，电推进的优势就更明显了。一颗寿命达15年重4.8吨的以化学火箭来维持轨道高度的卫星，其燃料储箱中带的燃料重达3吨。有效载荷的质量差不多只有燃料质量的一半。如果将这颗卫星升级为电推进卫星的话，只需不到200kg的氙就能完成同样的使命。卫星的发射质量将不到2吨。
不过，电推进系统的推进器的推力太小了，使得卫星的入轨过程变得相当漫长。这就对卫星的寿命和抗辐射能力提出了不小的挑战。弄不好，卫星可能最终赢得了轨道却输给了岁月。
以下是小火箭对三颗卫星进行变轨的轨道设计。这三颗卫星除了星上变轨发动机的推力大小不同外，其他参数全都一样。初始轨道高度为20 000km，初始轨道倾角为60°。要求变轨后，轨道高度变为36 000km，轨道倾角变为0°。第一颗卫星的变轨发动机能够让卫星产生0.1m/s2的加速度，第二颗卫星的变轨发动机的推力是第一颗卫星的十分之一，第三颗卫星的变轨发动机的推力是第二颗卫星的十分之一。通过计算，我们得到三颗卫星完成变轨所用的时间依次为：14.24小时、5.93天和59.34天。（要注意，电推进卫星的轨道不是笔者故意设计成这个样子的，实在是因为推力太小，只好慢慢地磨蹭过去了。）
有些小推力变轨机动需要6个月甚至1年的时间来完成。
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图16 大推力变轨
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图17 中推力变轨
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图18 小推力变轨
优势二：电推进系统即使在目前这个萌芽状态下，也已经能够赋予深空探测器以极快的速度，并且这样的速度是化学推进器难以企及的。
这个优势用文字描述的话，终会显得枯燥。不妨让化学推进和电推进各选出一个代表来进行一场星际赛跑，用数据来说明问题。
一场星际赛跑
我们不妨用发射质量达到了轻巡洋舰级别的土星5号火箭上面的F1液氧煤油发动机与总重不到500kg的深空1号来一场星际赛跑（不考虑其他天体的影响，只在真空中划出两条直线供比较）。
一台F1液氧煤油发动机的推力为6 909kN（大约能举起705吨的重物，相当于54辆加长型公交车），比航天飞机的三台主发动机的推力加起来还要大（约为航天飞机主发动机推力的3.8倍）。这个大家伙1秒钟就要烧掉约2.66吨燃料。在阿波罗计划中，F1发动机的工作时间约为159s，燃气喷流的速度约为2 596m/s。单台F1发动机需要燃料423.099吨。我们按照火箭燃料占火箭总质量的85%这一指标来设计一枚参赛用的火箭，则火箭的发射质量为497.3235吨，其中F1发动机本身的燃尽质量为9.15吨。
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图19 冯·布劳恩站在土星5号火箭旁。注意F1发动机的巨大喷口。
深空1号探测器的离子推进器的推力约92mN，连两张叠在一起的A4纸都吹不起来。该推进器要用5天零19个小时的时间才能用去1kg燃料。深空1号的发射质量为486.3kg，其中燃料只有81.5kg（约占16.8%）。深空1号上的推进器有一个指标非常耀眼：喷流的速度为43 000m/s（是F1发动机的16.6倍，约为真空中光速的1.4万分之一）。
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图20 深空1号探测器
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图21 深空1号探测器上的太阳能离子推进器
比赛一开始仿佛没有什么悬念，F1发动机力量强，加速快，10s后，她的速度已经达到了142.6m/s（时速513.4公里）。而深空1号探测器并不着急，此时她的速度为1.88mm/s，得仔细看才能确信她在动。159s后，F1发动机已飞出274.6公里，并且将最终速度锁定在4.925km/s。此时，深空1号飞出了2.374米，速度2.98cm/s，还处在爬行的状态。
或许有人会认为这时应该结束比赛并宣布化学火箭F1完胜了。毕竟，274.6公里与2.374米的差距还是蛮大的，如果他们都是从北京出发的话，F1已经到了大河北省的衡水市，而深空1号刚刚从床上爬起来走向卫生间。不过，星际赛跑拼的是最终速度，而不是短距离的冲刺速度。从159s之后，F1的速度就不再增加，而深空1号则锲而不舍地做着加速运动。15个小时过去了，深空1号来到了F1发动机达到她的最大速度的地方（衡水），时速为36.5公里。那些曾经笑话她比蜗牛还慢的人，此时骑着自行车也很难追上她了。不过，她离F1还是越来越远。抬头望去，F1在25.45万公里处。1天后，深空1号走了700多公里，时速为57.6公里。3天后，深空1号的时速超过了175公里，并且走了6300公里远。6个月过去了，深空1号的速度达到了3km/s，距离F1还有5千万公里。10个月后，奇迹出现了。深空1号的速度居然超过了F1，达到了5.1km/s。14个多月后，深空1号的燃料终于燃烧殆尽，她达到了她的最终速度：7.89km/s。18个多月后，深空1号赶上并超过了F1。这时，她们已经飞了2.23亿公里。深空1号在F1进入木星轨道之前超过了她，并且将会一直保持着领先的优势。
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图22 F1火箭与深空1号（DS-1）的比赛
这场史诗级的赛跑最终以电推进的胜利而告终。但是，深空1号这个选手其实并没有为参加比赛而进行特殊改装。为了充分表现电推进系统在星际远征时代能够达到多大的最终速度，我们给她加注了足够的燃料，像填满化学火箭那样，让其燃料质量占发射质量的85%。那么，电推进系统最终能使探测器的速度达到81.58km/s！这个速度足够让探测器飞出太阳系，飞向浩淼的星辰大海。
当然，我们也不能盲目乐观。以这个速度在太阳系内进行短途旅行还是可以接受的，但是想要进行太阳系外的星际远征，还是有些慢。以目前的电推进系统为动力的星际飞船，到达离咱们最近的恒星半人马座α星C需要3 677年，实在是有些太漫长了。因此，星际远征的时代只能说是近了，而不能说是到了。
用电推进系统从地面进入地球轨道
电推进系统能不能在大气层内高效运行呢？想要告别化学火箭，用电推进系统来让航天器入轨可行么？星际远征的飞船能不能就这么从地面起飞然后直接奔向远方呢？既然科幻电影里面大多是这么演的，咱们也就不得不这么算一算。
目前推力很大的电推进系统中有个叫NEXT的。她是NASA的得意之作，功率达到了6.9kW，是深空1号和黎明号上用的离子推进器的3倍。她的效率能够达到70%。以她为动力的探测器能够将4吨重的载荷送到土星轨道上。而她的推力有多大呢？只有0.236N。也就是说，在地球上，两台NEXT离子发动机的推力加起来能够勉强举起一个个头儿比较小的鸡蛋。
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图23 NASA的NEXT离子推进器
单台电推进系统的推力较小，咱们把她们捆绑起来一起启动会怎样呢？10台不够的话，绑个百万台怎样？
捆绑是解决不了问题的。NEXT的质量与功率比是4.8，也就是说1kW的功率对应1kg的发动机质量。这个值在电推进系统中算是比较小的了，上一代的离子推进器的质量功率比普遍在6左右。如此看来，电推进发动机连自己的外壳都抬不动，捆绑再多也是无济于事的。目前看来只能寄希望于人们把质量功率比做得越来越小，当电推进系统至少能把自己推起来的时候，事情就好办一些了。
不过，我们可不想就这么坐等那一天的到来，还是折腾一番才能对得起这大开的脑洞吧。按照目前离子推进器（其实霍尔推进器也差不多）的功率与推力的比例关系，我们极大地变大推进器的尺寸，然后将其安装到一艘100吨重的星际飞船上。那么，我们需要飞船的动力系统提供给推进器的电功率至少为28 653兆瓦才能使飞船飞离地面，需要约115 000兆瓦以上的电功率才能让飞船以现今化学火箭的加速度发射。这样大的电功率是什么概念呢？2009年8月14日，长江迎来了一个汛期洪峰。当天，三峡水电站首次实现投产后的满负荷发电，发出的功率为1 820万千瓦，也就是18 200兆瓦。要想让100吨重的星际飞船进入近地轨道的话，需要这艘飞船的电功率顶得上6.3个三峡水电站。
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图24 HTRE-3核动力发动机
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图25 核动力与电推进的结合
但是就算这样的超级发电装置已经能够装到飞船上，电推进系统在地面起飞阶段仍然还是比较困难的。这个困难不仅来自于技术本身，还来自于对发射成本的考虑。无论是离子推进还是霍尔推进，都需要以高速喷出的离子为工质。氙以其易电离、离子重和对飞行器比较友好等特点成为了电推进系统中的优质工质，而且目前尚难被其他工质替代（即使用氙的近亲氪来代替，效率也会骤降15%左右）。但是，氙实在是太稀少了，在地球大气层中的含量只有1 150万分之一。提取1升的氙气需要消耗220度电。在起飞阶段，为了产生大推力，需要将工质以很大的质量流量喷出去。按照目前的电推进系统的技术水平，喷流速度能够达到43 000m/s，那么为了把星际飞船发到近地轨道，每秒钟至少要消耗91.16kg的氙。要知道，81kg的氙就足够让一个半吨重的探测器去探测彗星了。
因此，即使今后电推进技术得到了极大发展，出现了十万兆瓦级的电推进器或者推力为数万牛的霍尔推进器，也不会用这样的推进器来把星际飞船从地面发射到近地轨道，因为这实在是过于暴殄天物了。当然，如果人类科技那时候已经发达到能够在木星大气层中提取氙气的话则另当别论。
那还是考虑一下其他方案吧。大功率、小体积、又得带一点一去不回头的悲壮感觉，这不是明摆着让我们用核动力么！早在上世纪50年代，处于冷战中的美国就推出了HTRE-1到HTRE-3等多种核动力飞行器推进设备。把这些改装一下用在星际飞船再合适不过了。
核动力与电推进的结合将成为人类远征深空的不二选择。用核能发电，在起飞阶段，将液态氢喷到核发电系统的热交换器上，并高速喷出，产生强大的推力，将飞船推向近地轨道。在太空环境中，采用氙为工质，用离子推进或者霍尔推进的方式，让飞船持续加速，直到达到令人满意的星际航行速度。由于电能是必须的，包括核反应堆和热交换器这类的设备本来就是离子推进系统的一部分。因此在起飞阶段工作的氢推进系统不会给整个飞船增加多少额外设备。另外，如果这艘飞船飞往火星的话，这样的配置就更好了。飞船的核能发电系统将在火星上继续发挥作用。我们要多带一些液态氢，因为火星大气中的二氧化碳的浓度很高，而氢气和水蒸气则很少。飞船携带的氢元素将帮助我们建设有自持能力的基地。有氢、有碳、有氧、有电，我们别无他求。
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核动力与电推进的结合能使飞船在大推力小比冲和小推力大比冲的两个工作状态之间自由切换。由于不必像化学火箭那样造成多级的，我们的单级入轨星际远征飞船会呈薄饼飞碟状，以便在起飞和降落阶段利用空气动力的作用。
让电推进系统的力量更大一些吧！
让星际远征的时代来得更早一些吧！
让氙和电以及勇气的力量，
不仅为我们驱散黑暗，
也推动我们勇往直前！
http://tech.qq.com/a/20160801/031618.htm