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小火箭出品

本文作者：邢强博士

在前一篇文章中，小火箭介绍了离子推进器的多个流派，在苏联和美国两条主线的发展历程中，离子推进器逐渐从试验阶段走向了实际应用，并且目前在多款深空探测器上大展身手。

在本文，小火箭要回答三个问题：

第一，电推进（包括离子推进、霍尔推进）目前的实际应用状况如何？

第二，电推进相对于化学火箭推进来说，优势在哪里？

第三，能否脑洞大开一下，展望或者计算一下未来的电推进飞船？

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。

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用卫星USA-235等卫星都使用了霍尔推进器。上图为TacSat-2卫星示意图。

这是TacSat-2卫星在地面总装完成之后的样子。

TacSat-2卫星上面的一台BHT-200霍尔推进器的核心部件。（为什么总提这颗卫星？因为2006年发射的这颗卫星上面使用了美国在太空真正开始承担重任的首款霍尔推进器BHT-200。）

4台BHT-200并联之后的样子。

4台BHT-200并联工作的样子。

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。上图为波音702SP全电卫星。

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。

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，她上面搭载的离子推进器功率为2.3kW，其峰值推力约为92mN。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。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号深空探测器的离子推进器火力全开的时候，其推力也不足以托起两张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了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，这样的比较会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：齐式火箭方程来给化学推进和电推进二者做个了断。

“天下武功，唯快不破”，李小龙的这句名言道出了火箭推进系统的真谛（好像火云邪神也说过来着）。

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，另一个是火箭发射质量与扣除燃料后的干质量的比值。

如果一个火箭拥有很快的喷气速度，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。

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2350kg。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1650kg燃料，这颗卫星的发射质量将会是4000kg。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2000kg（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6000万美元。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，还能让很多卫星以“一箭双星”的形式来发射。

实际上，波音702SP全电卫星的实际能力被大大低估了。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，该星实际上是能飞到土星轨道的。

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。一颗重4.8吨的以化学火箭来维持轨道高度的寿命达15年的卫星，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。上图为BHT-1500离子推进器。

不过，电推进系统的推进器的推力太小了，这让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。

以下是小火箭对分别采用化学推进和电推进的两颗卫星进行变轨的轨道设计（要注意，电推进卫星的轨道不是小火箭故意设计成这个样子的，实在是因为推力太小，只要满满磨蹭上去了。）

大推力变轨：简单粗暴时间快，适合化学火箭使用。

中推力变轨，比较文艺。

小推力变轨，电推进系统进行变轨的样子，好文艺。

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。毕竟一切不用数据来说明问题的讨论都是不太好的嘛。

一场星际赛跑

小火箭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。（有关土星5号火箭，详见小火箭的公号文章《》，有关F1液氧煤油发动机，详见小火箭的公号文章《》）

一台F1液氧煤油发动机的推力为6909kN（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3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2596m/s。单台F1发动机需要燃料423.099吨。

小火箭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，火箭壳体和有效载荷的总质量为65.5145吨。

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%）。

不过，深空1号上的推进器有一个指标非常耀眼：喷流的速度为43000m/s（是F1发动机的16.6倍，约为真空中光速的1.4万分之一）。

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发动机以飞出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，比小蚂蚁爬行的速度还要慢。

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市中心上空出发的话，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。

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赢得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，电推进系统能使探测器拥有的最终速度为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3677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。

脑洞大开：

能否用电推进系统让飞船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作呢？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咯。

目前推力很大很大的电推进系统中有个叫NEXT的。她是NASA的得意之作，她的功率达到了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？答案是：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只个头儿比较小的鸡蛋。

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？

然而，仔细计算后，小火箭发现：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4.8kg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能够提供给推进器的电功率至少为28653兆瓦才能使飞船飞离地面，需要约115000兆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1820万千瓦，也就是18200兆瓦。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。

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1150万分之一。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43000m/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时候则另当别论。

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！咱可说好了，不是小火箭非要用核动力，而是电推进实在是没办法了。

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。

那么，如果核动力与电推进能够结合起来的话，这将成为人类远征深空的不二选择。

小火箭认为，一种比较可行的方案是这样的：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，起飞阶段的氢推进系统不会给整个飞船增加多少重量。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。不过，在处理液氢的过程中要千万小心，详见小火箭的公号文章《液态氢，一匹桀骜不驯的野马》。

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，小火箭设想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快一些吧！

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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