離子推進(jìn)：比沖奔向1萬(wàn)秒

盧西

伴隨著人類太空探索的野心增長(zhǎng)，傳統(tǒng)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)漸漸暴露出其局限性。新太空項(xiàng)目為了搭載更重的載荷或?qū)⑵渫扑偷礁h(yuǎn)的地方，對(duì)動(dòng)力提出了越來(lái)越高的要求。航天工程師們必須提供新的解決方案，把探測(cè)器以更快的速度送到更遠(yuǎn)的太空中，以及更精確的控制其位置與姿態(tài)。

傳統(tǒng)巨擘難以支撐

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理說(shuō)起來(lái)并不那么深?yuàn)W，就是把推進(jìn)劑噴射出去，形成的反作用力即為推力。相應(yīng)的，每一千克燃料產(chǎn)生一千克推力的持續(xù)時(shí)間被視為火箭的推進(jìn)效率也就是比沖，單位為秒。而推進(jìn)劑的動(dòng)能來(lái)自于以其它形式儲(chǔ)存的能量，可以是化學(xué)能、電能、核能、壓力勢(shì)能等。

傳統(tǒng)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是利用推進(jìn)劑的燃燒將儲(chǔ)存于推進(jìn)劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱量，這部分能量在收斂擴(kuò)張超音速噴管中又被轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。不同于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并不吸入空氣，將空氣中的氧氣作為燃燒所用的氧化劑，而是選擇自帶氧化劑。傳統(tǒng)的液體火箭燃料為煤油/液氧或者液氫/液氧。因?yàn)榛鸺詭У娜剂虾脱趸瘎┤紵茚尫诺哪芰亢苡邢蓿瑢?dǎo)致化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度很慢，而比沖跟噴氣速度成正線性相關(guān)，所以推進(jìn)效率低。根據(jù)超聲速流體力學(xué)中理想的狀態(tài)，如果想要將推進(jìn)劑的能量全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，理論上需要一個(gè)極寬而且極長(zhǎng)的噴管，沒(méi)有任何工程學(xué)實(shí)踐意義。所以為了得到足夠的飛行速度，火箭需要攜帶大量的燃料，導(dǎo)致一枚火箭發(fā)射全重的絕大部分都是燃料，因此效率十分低下。……