離子引擎就是使用電離氣體作為推進劑的飛船推進設備，與太陽帆一道，都屬於電推進家族。它也是目前性能最好、最成熟的電推進系統。
最早的離子引擎於1960年左右由NASA的Glenn研究中心製成，但之後一直處於試驗階段，1998年，美國彗星探測器“深空1號”首次將離子引擎作為主力推進系統套用在深空飛行。
NASA的最新一代離子推進器的功率達到7KW，而中國電推力器的功率達到1KW至5KW量級。中國空間技術研究院計畫在2020年完成50千瓦量級大功率推力器的關鍵技術攻關。
基本介紹
- 中文名：離子引擎
- 外文名：ion engine
- 概念：使用電離氣體作推進劑的推進設備
- 性質：目前性能最好最成熟的電推進系統
- 特點：高效等
- 首次研製：1960年左右
歷史沿革,工作原理,實際套用,設備特點,設備前景,
歷史沿革
早在1906年，現代火箭之父羅伯特·戈達德即已考慮過不通過高溫而將帶電粒子加速的可能性。這可以被認為是有關離子推進的早期理論工作。
1930年代，大名鼎鼎的火箭專家維納·馮·布勞恩在其導師赫爾曼·奧伯特的指導下討論了電推進的可能性，而後者曾在他的一本書中花費了整整一個章節研究電推進問題。二戰後，當馮·布勞恩繼續研究V-2火箭時，他同時也在考慮星際飛行的可能性。他讓同事Ernst Stuhlinger回顧Oberth當年的工作，這卻使Stuhlinger為電推進的概念所深深吸引而不能自拔，終成一代電推進技術的權威。
在1955年國際宇航大會上發表的一篇文章中，Stuhlinger認為，與傳統的化學推進技術相比，電推進系統的發射質量與最終入軌質量之比要小得多。如果採用電推進，無疑比化學燃料效能高得多，星際旅行的可能性也大大提升。
1958年，美國陸軍彈道飛彈部門簽定了有關電推進的第一個契約。兩年後，NASA的Marshall飛行中心委託Hughes實驗室進行30千瓦離子引擎的研製，並於第二年作了演示。同時美國無線電公司的航天電子部也受NASA之託，研製出一批用於搭載引擎的太空艙，每個太空艙都能搭載兩台引擎，以測試不同的推進劑。1964年，美國的SERT 1衛星攜帶了兩台離子引擎入軌進行測試，其結果是一成一敗。
但隨著登月競爭的白熱化，NASA將研究重點轉向建造使用化學燃料為推進劑的重型運載火箭上。直到1992年，NASA Solar Electric Power Technology Applications Readiness計畫才重拾當年電推進的概念，決定研製氙離子推進引擎。1996年至1997年間，噴氣推進實驗室在其真空室中測試了一台由Lewis中心設計製造的氙離子引擎原型機，引擎平穩運轉了8000小時。有了這一成功經驗，該技術隨即被Deep Space 1計畫採用。
工作原理
離子引擎運轉的首要條件就是製造離子氣體。這通常需要由電子槍來完成。管狀陰極發出的電子束被射入經磁化的電離室，與充在室中的氣體原子碰撞，令原子電離成一價正離子。如上圖所示，電離室的另一端裝有一對金屬網，網上加有上千伏的電壓，可將離子加速到每秒30米的速度，並從尾部排出，形成離子束，由此產生推力。在這一點上，離子推進技術與傳統的化學推進技術一致：推力都是靠噴射物質產生的，只是令物質噴出的方式不同而已。至於電子槍的電源，一般由飛船的太陽能電池板充當即可，這樣的結構被稱為太陽能——電推進系統，至今為止採用離子引擎的幾項任務都使用此系統。
如果想讓離子引擎正常工作，還有個疑難問題必須解決：引擎持續噴射出正離子束，會將帶有負電的電子留在其中，這就形成了引擎中強大的負電場，嚴重阻礙了正離子的繼續排出，電子積累足夠多的話，甚至會將排出的正離子再吸引回來。解決此問題的方案是在噴射離子的排氣網附近再安裝一支電子槍作為電中和器，持續向離子束中注入電子，既可以中和離子束，又避免了引擎過度帶電。
當然在實際使用中，還要考慮許多具體細節，比如形成持續離子流的方法。在發展早期，NASA Lewis中心的Harold Kaufman發明了電離汞蒸汽的設備，當時已到Marshall中心工作的Stuhlinger則研製出了利用鎢或錸製成的表面電離銫原子的方法。不過Deep Space 1和SMART-1都使用氙作為推進劑，原因除了氙的推進效率更高之外，更考慮到惰性氣體不易對探測器的設備造成損壞，比汞和銫強上很多。尤其是銫，作為活動性最強的鹼金屬，其強腐蝕性對設備的耐用性和穩定性也是個很不利的因素。
另外，還可以利用微波來電離氣體，這樣的系統叫做微波離子引擎。旨在探測小行星糸川並取樣返回的Hayabusa探測器即安裝了此種引擎，它亦採用氙作為推進劑，除去離子化設備之外，其他部分與普通離子引擎無甚差別，不過沒有查到其電中和器具體使用的是什麼裝置，未敢定論。
各探測器的離子引擎。上左：Lewis中心設計的引擎正在JPL進行測試，藍光由帶電離子發出（圖片提供：NASA / JPL）。該引擎是Deep Space 1的引擎原型。上右：Deep Space 1的離子引擎，排氣網安裝在圖中央的支撐環內（圖片提供：NASA / JPL）。下左：測試中的SMART-1引擎（圖片提供：ESA）。下右：Hayabusa的微波離子引擎，其原形機在測試時曾連續運轉了超過18000小時（圖片提供：ISAS）。
其實離子引擎的工作原理並不很複雜，之所以長期沒能投入實際使用，不僅僅是由於阿波羅登月計畫的干擾，更有新技術的可靠性問題，而各探測任務的參與者往往不希望承擔新技術帶來的不必要風險。舉例來說，雖然理論上講可以用電子槍解決離子的中和問題，不過要檢驗這一方法的有效性，必須要排除離子束與真空區域邊界相互作用的影響，這在地球上是幾乎不可能做到的，所以其效果究竟如何一直不能定論。而作為NASA新千年計畫的第一個組成部分，Deep Space 1的主要目的之一就是測試包括離子引擎在內的十餘項新技術，科學探測反倒在其次；SMART-1和Hayabusa也為各自的機構承擔著類似的技術測試任務，它們自然就可以較少地顧及新技術失敗的風險了。
實際套用
2001年，歐洲空間局的SMART-1探月計畫也使用了離子引擎為主推進裝置，輔以化學推進系統。2003年日本發射的Hayabusa則使用了與前二者稍有不同的微波離子引擎。歐空局還計畫將離子引擎技術用在未來的引力波探測計畫LISA、水星探測計畫BepiColombo以及環繞太陽的Solar Orbiter中，NASA也在考慮為將來探測木星衛星的Prometheus探測器安裝離子引擎。
2012年10月，中國發射的首顆民用新技術試驗衛星“實踐9號”就採用了510所研製的離子電推進系統。
2013年9月，美國NASA的進化氙推進器（NEXT）項目，已完成了對離子發動機超過48000小時的驅動測試。此次為期5年半的推進運行，是太空推進系統史上測試時間最長的一次。
2015年6月，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）宣布，小行星探測器“隼鳥2號”的離子引擎的第二次連續運轉已順利完成。此次的連續運轉是從2015年6月2日開始的，到6月7日上午0時25分，已按計畫連續運轉了102小時。
設備特點
離子引擎最大的優點當然是高效。由於離子流的噴射速度比化學推進劑快很多，離子引擎每消耗單位質量的燃料，可以產生10倍與傳統推進設備的推力。所以Deep Space 1隻攜帶了81.5千克的氙推進劑，就可以進行20個月的飛行，這對於化學推進劑來說簡直是不可想像的。
離子引擎還可以以持久穩定的推力連續工作數月乃至數年，如此就可以將探測器加速到很快，大大地減少到達目的地所花費的時間。如有人計算過原計畫探測Wirtanen彗星的Rosetta，如果它改裝了離子引擎，抵達彗星所需時間就會從9年減至2年半。不過離子引擎並不象化學推進引擎那樣能在短時間內產生強大的推力，所以它並不適合作為運載火箭的發動機或其他需要很大加速度的場合，實際上不論是Deep Space 1、SMART-1還是Hayabusa，都是先由運載火箭發射升空後離子引擎才開始工作的。但穩定的小推力也有自己的優點：它能方便測控人員實時精細調整在軌衛星或探測器的狀態，所以對於深空探測來說，離子引擎是很好的選擇。尤其是Hayabusa這樣的小天體探測器，由於目標天體形狀不明，需要自動導航系統實時對航向進行微調，這也許就是Hayabusa採用離子引擎的原因之一。
離子引擎本身較小的質量和體積也可以說是其一大優點。Deep Space 1的離子引擎只有約8公斤重，直徑也只有約40厘米，如此無疑節約了探測器上有限的空間。
設備前景
研究人員也希望能進一步延長離子引擎的工作時間，使其可以全功率工作一年以上，以適應未來的長途探測任務。
Deep Space 1的表現已充分說明了離子引擎的光明前途，正在進行中的SMART-1和Hayabusa計畫也飛行正常，進一步確認了離子引擎的威力。雖然從某種意義上說，月球探測器使用離子引擎有些浪費，不過未來眾多的彗星、小行星和內行星探測計畫很可能就是讓離子引擎大顯身手的舞台了。
相關專家表示，即使是離子電推進系統，也需要電能支持。但如果距離太陽越來越遠，這種方法已經不能夠支撐太空飛行器進行更遠的星際旅行。最終還是需要其他的動力來支持太空飛行器的所有電力，在可預見的未來，核動力將是最可行的動力來源。
