离子推进器速度极限（神奇的等离子推进器）

2011年3月，美国宇航局对外宣称，他们将使用等离子推进器来推动宇宙飞船前往火星，届时到达火星将只需要39天的时间!而我们知道，普通飞船或探测器到达火星需要大约半年的时间。由此可见，美国宇航局的等离子飞船可以让飞船速度提高至少5倍!

就在2012年6月，研究等离子推进器的专家透露，等离子推进器可以把很多物质当作燃料，甚至连宇航员的尿液都可以作为推动飞船前进的“燃料”!

国际空间站也看上了这种等离子推进器，因为国际空间站也是需要耗费能量来维持它的轨道不变的。国际空间站位于地球上空360千米的轨道上，而地球大气层绵延上千千米厚，虽然高空的空气很稀薄，但是空间站与空气之间的摩擦也会导致空间站损失能量，如果空间站的速度降低，空间站环绕地球的轨道就会改变了，如果不用燃料推动它，它的位置会越来越低，最后会滑入大气底层，与浓密大气摩擦而如流星般殒命。那么维持国际空间站的高度需要多少能量呢?每年耗费好几吨的燃料!而这些燃料都是需要用火箭或航天飞机运载上去的。每年仅仅运这些燃料就需要花费千万美元的代价。如今有个能把尿液当燃料的等离子推进器，如果使用这种推进器，国际空间站就再也不需要向地面要燃料了，国际空间站怎能不喜欢?

等离子推进器很简单

那么这神奇的等离子推进器到底是怎么回事呢?其实，美国宇航局自1990年代就开始测试等离子推进器了，例如1998年发射的“深度太空1号”探测器就是利用等离子推进器来进行推动的，不过那时的等离子推进器还只能烧一种特殊的“燃料”，它是以惰性气体氙为“燃料”的。

氙不是不能燃烧吗?也许越说越令人糊涂了，我们还是来看看它是如何工作的吧。

等离子推进器，从它的名字上，我们可以看出，它是利用正负电荷组成的离子来工作的，也就是它先把普通物质电离，变成离子，然后给这些离子加速，当离子的速度够高的时候，再让这些离子流从飞船尾部冲出，这种冲力就可以推动飞船不断前进了，就像喷气式飞机或普通的火箭发射那样，是利用了气流的反作用力。

但是等离子推进器与普通推进器不同的是，它不是利用物质燃烧释放的能量来形成高速气流的，它利用的是电能，用电能把物质变成离子，再用电能(或磁能)加速离子，形成离子气流。因此等离子推进器所用的“燃料”不一定是能燃烧的，而是能变成离子气流的物质。那么电能又来自哪里呢?很简单，它就地取材就行了，高空的太阳可是异常明媚，普通的太阳能电池就足够这种推进器使用了。

初期研制的推进器是需要正负电极的，在电极高电压作用下，电极发射出的电子快速运动，碰撞氙原子，使氙变成离子。这个过程就像日光灯管里的启辉器把惰性气体电离的过程一样。之后氙离子在电场或磁场作用下被加速到较高的速度，当然电场的加速一般是让氙离子直线运动，而磁场加速就有点类似粒子加速器那样，是让氙离子边转圈边加速，加速到较高的速度后，让离子流从飞船尾后向外喷出。在喷出的氙离子气流中还要放入一个阴极电极来释放电子，让喷出的气流整体上不显电性。这就防止了飞船因氙不断电离而积累负电荷，也防止了氙离子气流与飞船之间有静电吸引。

等离子推进器很温柔

那么等离子推进器的推动力有多大呢?其实我们可以猜到，被电离的那些离子太少了，无法形成强大的气流，也就无法给飞船很大的推动力。美国宇航局用于深度太空1号的等离子推进器所提供的推动力也就只有大约0.1牛顿!这个力仅仅是我们托起10克物质(一颗水果糖)所用的力!这么小的力能做什么啊?用它来推动1000千克的探测器或飞船，它也就只能提供0.1毫米/秒2的加速度，太小了!

科学家告诉我们，不要看不起它，等离子推进器的特点就是温柔推动，但是却时刻不停，持续不断。一般用化学燃料的强力火箭虽然推动力很大，但只是持续短暂的十几分钟而已，之后，飞船就没有任何推动力来推动它前进了，它在飞行过程中速度基本没有多少变化了。

但等离子推动器最强的一点就是它的持续不断，再重的飞船也经不起这持续不断的温柔推动。我们不妨计算一下，虽然等离子推进器1秒钟只能让飞船速度提高0.1毫米，那么1年以后呢?1年是31536000秒，1年以后，它就可以让飞船速度提高3153.6米/秒了，10年以后呢?它就可以让飞船速度提高31千米/秒!完全可以让飞船快速逃出太阳系了(太阳系的逃逸速度是16.7千米/秒)。

等离子推进器更神奇了

这还是美国宇航局初期研究的等离子推进器所具有的能力，如今的等离子推进器更神奇了。

在推进器中，电极很容易被离子腐蚀掉，推进器之所以用氙等惰性气体作为“燃料”，就是因为氙不但可以快速电离，而且氙离子对电极的腐蚀性小。即使如此，电极遭受腐蚀也是避免不了的。这样，电极的使用寿命就限制了推进器的寿命，因为推进器进入太空后，电极是没法更换的。另外，地球上氙的含量也不大，作为等离子推进器的燃料，昂贵而又有限。这些都限制了等离子推进器无法大展神通。

因此必须对推进器进行改进，例如用很多小电极组成一个大电极，外面包裹上一个难以被腐蚀的套管，这样，离子就不容易直接接触到电极了。这样的推进器，只要在电极之间加上高电压，也可以利用周围的空气作为“燃料”了。

最新研究的等离子推进器已经把电极消除了，它使用电磁波的能量来把物质加热到高温电离，就像微波炉那样对物质加热。但它采用的电场很强，因为电磁波加热的能力与电场强度的平方成正比，那么在很高的电场下，就可以迅速把物质加热到超过1000℃的高温。它的电离室是陶瓷材料制造的。电离后的离子被特定频率的交替变化的电磁场加速，加速到一定速度后，就可以冲出飞船，给飞船提供推动力了。这种推进器消除了离子对电极的腐蚀，让所有能够吸收微波的物质都可以作为推进器的燃料，如果它用于国际空间站，真的可以利用宇航员的尿液作为燃料。

但是作为深度太空探索的推进器，需要远离地球，因此它沿途还是要携带体积小的固体物质作为燃料的。另外，等离子推进器一般都是利用太阳能电池来供电的，那么远离太阳后呢?这种特殊使命的推进器就需要准备核能来持续供电了。

现在等离子推进器的速度也大大提高了，例如可以在几十天的时间里，把飞船加速到50千米/秒以上。因为它的燃料不是昂贵的稀有气体了，它喷出的气流就比以前强大多了，因此美国宇航局才会对外宣言：1个月左右到达火星!

不过需要说明的是，等离子推进器虽然性能优越，但是没有普通火箭推进器的帮助还是不行的，因为飞船在离开地面的时候，还是需要强大的推动力把它推入太空，否则靠等离子推进器微小的推动力，飞船也许永远都无法离开地面，等离子推进器只有等飞船进入太空后，才能大显身手。