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什么是离子发动机？离子发动机是否能够推动地球实现流浪？

更新：2023年02月12日 16:35 好一点

好一点小编带来了什么是离子发动机？离子发动机是否能够推动地球实现流浪？，希望能对大家有所帮助，一起来看看吧！

什么是离子发动机？离子发动机是否能够推动地球实现流浪？

离子发动机是利用工质离子化，在静电场作用下加速喷射而产生推力的发动机，离子式推进器具有比冲击大、效率高、推力小的特点。离子推力器所需的工质质量较传统的推进器要小，是目前已实用化的推进技术中最适合长距离航行的。

一、离子发动机的特点

电离式推进发动机具有极低的加速力和加速度，可以达到几十毫厘牛顿。据描述，这种推力只能吹动一张纸，但是和化学火箭燃烧时间非常短不同，电离式推进发动机能够为火箭提供了很长的加速时间，所以发动机比冲量大。

也就是说，电离式推进发动机在相同质量的工作质能时提供更大的总推力和最终速度。

二、国外研究

美国航天局已经开发的新型离子发动机，代号为NEXT，已完成了连续工作48,000小时以上的测试，换算成年数约为5年半，创造了空间推进系统最长连续测试时间纪录。这个氙气推进器是一种太阳能电力推进系统，它的动力来自太阳能电池板。用氙气作推进剂，在长达48,000小时的测试中，仅消耗860千克氙气推进剂，但总冲量相当于传统火箭推进剂10吨。

三、没有普及的原因

电离式推进发动机之所以不受欢迎，是因为放电通道内壁存在腐蚀问题，但目前科学家找到了新方法。

通过理论分析和数值模拟，该团队设计出了沿壁面磁场分布，使磁场对等离子体的影响降到最低，并通过改变电场方向来减小加速离子过程对边壁的侵蚀。研究者称这种新型磁场屏蔽方法，是对真空状态下的推进器进行部分改进的，综合模拟和实验结果表明，这种方法可以大大降低加速离子的侵蚀。

太空黑科技——微型射频离子发动机首次飞行验证！

出品：科普中国

*：贺建武、马隆飞、康琦、段俐（中国科学院力学研究所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

2019年8月31日，中国科学院在中国酒泉卫星发射中心发射了一颗名为"太极一号"的卫星，这是中国首颗空间引力波探测技术实验卫星，主要任务是实现关键技术的验证，为实现空间引力波探测打下基础。

一个世纪前，爱因斯坦基于广义相对论就预言了引力波的存在。然而直到2015年，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）才在地面探测到了引力波信号。三位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish 和Kip S. Thorne也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

不仅如此，国际上普遍认为，如果有人能在空间探测到引力波，获得更多频段的引力波信号，同样能获得诺贝尔级奖章。

引力波是物质和能量剧烈运动和变化引发的时空涟漪，它在传播过程中挤压或者拉伸时空，就像水面泛起的涟漪一般，以光速向外传播。

太空中引力波信号十分微弱，目前最好的方法就是利用光学手段，通过探测两个相距上百万公里的自由漂浮物体之间的距离变化来捕获引力波。

说起来简单，但这一技术的实现难度超乎人们想象，堪称挑战人类目前所掌握的技术极限。

早在2008年，由中科院发起，院内外多家单位参与，以中国科学院力学研究所胡文瑞院士为召集人成立空间引力波探测论证组，开始规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。2016年，中科院启动了空间引力波探测计划——太极计划。2018年，中科院"太极计划"先行者——"太极一号"任务立项，太极计划成员自此进入紧张的型号任务研制阶段。

考虑到引力波探测的难度，太极计划分多步进行。 "太极一号"任务是第一步，主要是在轨验证空间引力波探测的关键技术，包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考惯性传感器、超稳超静平台、无拖曳控制和微牛级推进系统。其中的每一项技术都十分复杂，而且非常重要。

众所周知，火箭的发射、宇宙飞船和卫星在太空中的运行都离不开发动机（发动机即推力器）。在太空中，光压、宇宙射线辐射等作用在航天器上的微牛级非保守力，都会影响卫星的超稳状态，因此需要开发微牛级推进系统以抵消非保守力对卫星平台的影响。 射频离子发动机，就是其中之一，同时，它也是世界上最先进的卫星发动机之一。

射频离子发动机，顾名思义，是靠吸收射频能量（也就是频率为300 kHz – 300 GHz的交流电）来维持其等离子体自持放电并产生推力的装置。

"等离子体"是我们所熟知的自然界物质的第四物态（气态、固态、液态和等离子体态），在生活中随处可见，如荧光灯、霓虹灯、氙灯和闪电等。 简单来说就是电离了的"气体"，由离子、电子以及未电离的中性粒子组成，整体呈电中性，但具有导电特性。

而射频离子发动机就是将等离子体中带正电荷的离子通过高压电场引出并加速，以几十公里每秒的速度喷射出去。由牛顿第三定律可知，高速喷射的离子将产生反向推力，从而推动卫星前进。

当发动机喷射离子时，还需要一个能够喷射电子的装置（中和器）用以中和喷射出去的离子，否则会使航天器带电，危及航天器的安全。

中国科学院力学研究所微型离子发动机产品研发团队历经五年的时间，对射频离子发动机系统的工作原理进行了深入的研究，从最初的射频电路阻抗匹配、射频感应耦合放电，到最终射频离子发动机可以稳定工作，部件的每一个细节都经过仔细地推敲。

2015年，团队研发的第一套射频离子发动机——RIT-4点火成功，之后，团队根据不同的推力范围需求，开展了射频离子发动机系列样机的研发，分别研制了RIT-2、RIT-2.5和RIT-5。

研发团队凭借多年对射频离子发动机的研究基础和宝贵的航天工程经验，在2018年8月承担了"太极一号"卫星射频离子微推进系统的研制重任，限时一年。

常规航天任务一般是三到五年，甚至更长，一年的时间要将尚不成熟的原理样机直接做到满足航天标准的飞行样机，这对人员有限的研发团队而言是一项非常艰巨的任务。但为了中国航天事业的发展，空间引力波探测国家重大专项的顺利实施，中国科学院力学研究所微重力重点实验室康琦主任毅然决然地接下了这项几乎不可能完成的任务。

对于整个射频离子发动机系统而言，除了射频离子发动机头部以外，实际还需要一系列的配套"装配"，包括：电子学单机（中国科学院国家空间科学中心研制）、场发射中和器（清华大学研制）、微流量控制单机（507所和深圳市绿航星际太空科技研究院研制）。五家单位团队协作，在研发前期，各自根据设计指标要求专攻技术难点，以最快的速度完成方案可行性验证。

中科院力学所研发团队根据已有的研究基础，在2019年3月率先完成了微型射频离子发动机（μRIT-1）飞行产品的研制，并顺利通过了空间环境模拟试验。

发动机样机研制出来后，它的推力到底是多大，计算出来的推力是否准确，这些都是亟需验证的问题，航天工程任务是要靠精确的实验数据来说话的。因此，研发团队在射频离子微推进系统产品紧张研制的同时，紧急筹备发动机后续性能测试方案，自主设计了一套亚微牛级推力测量设备，实现了推力器快、稳、准的安装与调试，极大限度地缩短了射频离子发动机性能测试周期。

电子学单机是射频离子发动机系统的核心之一，整个推进系统的供电、控制以及数据存储均要依靠它来完成。 中国科学院国家空间科学中心先后一共有6名专业人员参与到电子学单机的研制工作。这个项目突破了他们以往的研制速度，经历了无数个通宵达旦的艰苦工作，在最后一刻解决了所有问题，交付了通过地面验证试验的合格产品。

与射频离子微推力器（μRIT-1）配合使用的中和器是清华大学研制的"碳纳米管中和器" 。这次合作是清华大学清华-富士康纳米科技中心第一次承担航天任务，更是将碳纳米管场发射技术第一次应用在航天领域中。五位清华大学的老师在没有航天任务经验的情况下，一步一步地摸索着前进，从最基本的材料选取、结构设计、加工工艺到最终的测试方案，他们夜以继日地发现问题和解决问题，最终按时交付了他们的"首创"。

最后一个就是射频离子发动机系统必不可少的气体控制器——微流量控制单机。 之所以称为"微流量控制单元"，是因微型离子发动机工作时所需的工质气体非常少，0.08 mL的气体可以使推力器工作1分钟以上，相当于一个人深呼吸吹出的气体量（约3500 mL）可使推力器连续工作约一个月。

深圳市绿航星际太空科技研究院四名专业技术人员同样是从未研制过气体流量这么小且精度要求非常高的微流量控制器。为了保证发动机能够正常稳定地工作，技术人员从方案设计、加工工艺到气路封装，一路披荆斩棘，在团队协作下，解决了系列技术问题。微流量控制单元是除发动机外，第一个交付的产品。

研发团队在不到十个月的时间里，夜以继日、过五关斩六将，终将合格的射频离子发动机产品按时交付给卫星系统。

目前，射频离子微推进系统在轨工作正常，并顺利完成功能和性能测试，任务取得圆满成功，这也是国际首次在轨验证微型射频离子发动机技术！

推动未来航天的科技＂离子推进器＂，应该如何提高推力？

传统的航空推进器是将数百万公斤的液体或固体燃料加入火箭中，以氧化剂将其点燃，借助燃料燃烧产生的推力将火箭送上太空。人类若想到达更遥远的星空，则需要一个更高效的、只需要少量推进剂的推进系统，离子推进器就可以满足这个要求。离子发动机作为目前实用化火箭技术中最为经济的推进器，在航空航天领域有很广泛的应用，例如卫星在太空中轨道的调整和深空探测器的小推力长时间飞行。离子发动机具有传统化学火箭所没有的优势——极高的比冲，因此只需要很少的推进剂就可以达到很高的速度，这样减少了燃料的携带，减轻了火箭重量，从而节省了燃料。另外，离子发动机还具有寿命长，可多次重复启动工作，推力小等特点[2]。提高离子推进器的推力以及推进效率，对于离子推进器的发展极为重要。

离子推进器的结构与基本工作原理

离子推进器可分为四个有机组成部分：推力器：电离室（Ionization Chamber）、空心阴极（Hollow Cathode）、环尖磁铁（Ring Cusp）、离子光学系统（Ion OpticSystem）、中和器（Neutralizer）;电源控制单元：（PPU:Power Processing Unit）;推进剂供给系统（PFS:Propellant Feeding System）;数字控制接口单元（DCIU:Digital Control Interface Unit）。离子推进器基本工作原理：经过光电转化装置将太阳能变为电能，再使电能产生电磁场；工作介质在高温下被电离，形成等离子体，与磁场能相互作用，由电磁感应可以获得产生加速度的力[3]。概括起来说，就是利用太阳能引发的电磁场对载流体等离子体产生洛伦兹力的原理，使处于中性的等离子体状态的工作介质加速以产生推力。

通过对离子推进器的结构与原理进行分析，通过改变网栅结构材料设想提升离子推进器推力并计算得到以下结论：

（1）对于离子推进器的栅极组件,采用C-C编织复合材料取代金属钼栅极是一种合理有效的方法,能在保证力学性能的条件下,提高击穿电压上限从而增大加速电压；

（2）经计算得出改进后，推力F2=53.67mN，比冲Is2=6845.7s，相对推力比率为53.12%，相对比冲比率为53.11%

综上所述，经过改进后的离子推进器在原结构基本不变的情况下在推力上有明显提升，提高加速电压而提高离子推进器推力是可行的方案。

等离子发动机的原理

提到离子发动机，在很多人的看来显得十分神秘的，其实它就是我们通常所说的“电火箭”。下面一起分享关于什么是等离子发动机及工作原理。
它是电推进系统的一种，并已经在国内外应用相当成熟，其应用的主要介质就是等离子体，使用洛伦兹力让带电原子或离子加速通过磁场，来反向驱动航天器。
离子发动机及工作原理
离子发动机原理：
等离子发动机的能量来自电力，可以来自太阳能电池板，或者核电池，通过从发动机尾部喷射出阳离子来推动飞船前进，所以离子发动机的驱动方式也被叫做电力驱动方式。从发展趋势来看，美国的研究范围几乎覆盖了所有类型的电推力器，但以等离子发动机的研制为主，美国航宇局在其中扮演了最活跃的角色。最近它有一项规模很大的计划，即“太阳电推进技术应用及准备计划”。
虽然离子发动机过去在卫星上经常使用，但都是作为辅助发动机，用于姿态调整或者轨道维持。而深空1号第一次将离子发动机作为主发动机使用，深空1号的离子发动机也是迄今为止将电能向推力转化效率最高的，在太空中运行寿命最长的，也是比冲量最高的，比冲量超过3000秒。

离子发动机有什么原理？

尖端科学往往是小众，完全是可行的目前本人在尝试，原理非常简单，有三部分组成，发射部分，收集部分，控制电路，发射部分采用尖端，接收部分采用圆弧段，原理就是就是，，，尖端聚集大量质子，圆弧端聚集大量电子，空气中有原子，首先尖端那边的空气原子由于电场强，一些电子被吸引到尖端，圆弧段的电子也进一步排斥尖端的电子，这时质子就孤单的暴露出来了，被吸引到圆弧端，此时电子被吸到尖端，质子被吸到圆弧段，不产生任何离子风，接下来看第二张图，圆弧段电场弱，电子不吸引质子，这是由尖端飞过去的质子并带少量电子与圆弧段空气原子发生碰撞，电子与电子碰撞，两个空气原子都倒退，还有两个原子质子的相互排斥力(估计这个力不大),虽然圆弧段电场不强，本来就想吸引质子了，它这一碰撞就有了吸引质子的机会，产生离子风，，我这里有个大大的纳闷，一开始，尖端不是吸引少量电子，应该力的方向向左，可是国外大佬说了，圆弧端的电子吸引左边的质子，这么远，吸引力应该不大，而实际上，只有它右边的吸引力够大，才会继续有后面的碰撞，才会有离子风。说完理论我们谈谈怎么做，国外有大佬做了个，类似这种形状吧

首先，我们要有高压30kv以上，具体我也不清楚没试过，然后是直流高压还是交流高压，我也不清楚，我觉得交流的，不同电路移动的速度可能更快，这样的话，交流电又要多少赫兹，如果用直流的话，集成电路具体怎么控制，接下来提供能源，电池，还是无线输电，无线输电可以直接是交流电,电池的话要逆变器，最后飞行器的形状怎么设计，值得庆幸的是，先辈们给我们留下了很多踪迹https://electronairllc.org/，打开进入找专利内容，然后下载，然后里面有一些介绍，作者实验还说由于高压温度问题，会停止飞行。然后就没然后了，有怎么产生交流高压的优秀电路可以告诉一下我，民间爱好者，文化不是很高

12V200磅推进器时速是多少

可以达到时速100km/h。推进器一般用来提供动力，提高速度的。在航天航空，船舶，汽车等领域有广泛应用。它是通过旋转叶片或喷气（水）来产生推力的。离子推进器，又称离子发动机，其原理是先将气体电离，然后用电场力将带电的离子加速后喷出，以其反作用力推动火箭。这是目前已实用化的火箭技术中，最为经济的一种。因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的最终速度，而既然太空船本身不需要携带太多燃料，总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的载运火箭，节省下来的燃料更是可观。

未来的7个太空引擎

现代火箭发动机能很好地将技术送入轨道，但它们完全不适合长时间的太空旅行。因此，十几年来，科学家们一直在研究创造替代性的太空发动机，可以将飞船加速到创纪录的速度。让我们来看看这个领域的七个关键想法。

1、沙尔发动机（EmDrive）

要移动，你需要从某物上推开--这条规则被认为是物理学和宇航学不可动摇的支柱之一。具体从什么地方开始--从地球、水、空气或者像火箭发动机那样的气体喷射--并不那么重要。

一个著名的思想实验：想象一个宇航员进入外太空，但连接他和飞船的电缆突然断裂，人开始慢慢飞走。他只有一个工具箱。他的行动是什么？正确答案：他需要从飞船上扔掉工具。根据动量守恒定律，人从工具上抛开的力与工具从人身上抛开的力完全相同，所以他将逐渐向飞船移动。正如实验表明的那样，有一定的机会反驳这种不可动摇的说法。

这款发动机的创造者是英国工程师罗杰-沙尔，他在2001年成立了自己的卫星推进研究公司。EmDrive的设计相当奢侈，是一个金属桶的形状，两端密封。在这个桶内有一个磁控管，可以发射电磁波--和传统的微波炉一样。而事实证明，它足以产生一个非常小但相当明显的推力。

作者自己通过电磁辐射在 "水桶 "不同端的压力差来解释他的发动机的运作--在窄的一端比宽的一端要小。这就产生了一个指向窄端的推力。这种发动机运行的可能性曾不止一次受到质疑，但在所有的实验中，沙尔装置都显示出在预定方向上存在推力。

实验：

对沙尔桶进行测试的实验者包括美国航天局、德累斯顿工业大学和中国科学院等组织。该发明在各种条件下进行了测试，包括在真空中，它显示出存在20微微子的推力。

这相对于化学喷气发动机来说，是非常小的。但是，考虑到沙尔发动机可以随心所欲地工作，因为它不需要燃料的供应（太阳能电池可以提供磁控管工作），它有可能将航天器加速到巨大的速度，以光速的百分比来衡量。

为了充分证明发动机的性能，有必要进行更多的测量，并摆脱外部磁场等可能产生的副作用。然而，已经有人对沙尔发动机的异常推力提出了其他可能的解释，一般来说，这违反了通常的物理定律。

例如，有人提出了这样的版本：发动机能够产生推力是因为它与物理真空的相互作用，而在量子水平上，真空的能量是非零的，充满了不断出现和消失的虚拟基本粒子。最终谁会是对的--这个理论的作者、沙尔本人还是其他怀疑论者，我们将在不久的将来找到答案。

2、太阳能帆

如上所述，电磁辐射会产生压力。这意味着在理论上它可以转化为运动----例如，在帆的帮助下。正如过去几个世纪的船只用帆抓住风一样，未来的宇宙飞船也会用帆抓住太阳或任何其他星光。

但问题是，光压极小，而且随着与光源距离的增加而减小。因此，这种帆要想发挥作用，必须非常轻巧，而且体积非常大。而这就增加了当它遇到小行星或其他物体时，整个结构被破坏的风险。

已经有人尝试建造并向太空发射太阳能帆船--1993年，俄罗斯在 "进步号 "飞船上测试了太阳能帆，2010年，日本在前往金星的途中进行了成功的测试。但还没有一艘船使用风帆作为主要的加速来源。另一个项目--电动帆，在这方面看起来更有前途一些。

3、电动帆

太阳不仅发射光子，而且还发射带电的物质粒子：电子、质子和离子。所有这些粒子形成了所谓的太阳风，太阳风每秒从太阳表面带走约100万吨物质。

太阳风的传播范围达数十亿公里，是我们地球上一些自然现象的原因：地磁风暴和北极光。地球受到自身磁场的保护，不受太阳风的影响。

太阳风和空气风一样，相当适合旅行，你只需要让它吹在风帆上。芬兰科学家Pekka Janhunen在2006年创建的电帆项目，从外表上看，与太阳能的电帆没有什么共同之处。这种发动机由几根细长的电缆组成，类似于没有轮辋的轮辐。

由于电子枪逆行方向发射，这些电缆获得了正电势。由于电子的质量约为质子质量的1800倍，所以电子产生的推力不会起到根本性的作用。太阳风的电子对这样的风帆并不重要。但带正电荷的粒子--质子和阿尔法辐射--将被绳索排斥，从而产生喷射推力。

虽然这种推力将比太阳帆的推力小200倍左右，但欧洲航天局对这个项目很感兴趣。事实上，电帆在太空中的设计、*、部署和操作都要容易得多。此外，利用重力，电帆还可以前往恒星风的源头，而不仅仅是远离它。而且由于这种帆的表面积比太阳帆的表面积小得多，所以更不容易受到小行星和太空碎片的影响。也许在未来几年内，我们会看到第一艘实验船的电帆。

4、离子发动机

带电的物质粒子，即离子的流动，不仅由恒星发出。离子化气体也可以人工*。正常情况下，气体粒子是电中性的，但当其原子或分子失去电子时，就会变成离子。就其总质量而言，这种气体仍然没有电荷，但其单个粒子却变成了带电粒子，这意味着它们可以在磁场中移动。

在离子引擎中，惰性气体（通常是氙气）被高能电子流电离。它们将电子从原子中击出，并获得正电荷。此外，所产生的离子在静电场中被加速到200公里/秒的速度，这比化学喷气发动机的气体流出速度大50倍。然而，现代离子推进器的推力非常小--大约50-100毫微吨。这样的发动机甚至无法搬离桌面。但他有一个严重的优点。

大的比重可以大大降低发动机的燃料消耗。从太阳能电池获得的能量被用来电离气体，因此离子发动机能够工作很长时间--长达3年不间断。在这样的时间里，他将有时间将航天器加速到化学发动机做梦都想不到的速度。

离子发动机作为各种任务的一部分，反复耕耘着浩瀚的太阳系，但通常是作为辅助，而不是主力。今天，作为离子推进器的一种可能的替代物，他们越来越多地谈论等离子体推进器。

5、等离子体引擎

如果原子的电离程度变得很高(约99%)，那么这样的物质聚集状态就称为等离子体。等离子体状态只有在高温下才能达到，因此，电离气体在等离子体发动机中被加热到几百万度。加热是利用外部能源--太阳能电池板或更现实的小型核反应堆来进行的。

然后，热等离子体通过火箭喷嘴喷出，产生比离子推进器大几十倍的推力。等离子体发动机的一个例子是VASIMR项目，该项目自上世纪70年代开始研制。与离子推进器不同，等离子体推进器尚未在太空中进行测试，但被寄予了巨大的希望。正是VASIMR等离子体发动机是载人飞向火星的主要候选者之一。

6 、融合引擎

自二十世纪中叶以来，人们一直在试图驯服热核聚变的能量，但迄今为止，他们还未能做到这一点。然而，受控的热核聚变仍然是非常有吸引力的，因为它是从非常廉价的燃料----氦和氢的同位素----中获得巨大能量的来源。

目前，有几个项目正在设计一种以热核聚变为能源的喷气发动机。其中最有希望的被认为是基于磁等离子体封闭反应器的模型。这种发动机中的热核反应器将是一个长100-300米、直径1-3米的无压圆柱形式。舱内应以高温等离子体的形式提供燃料，在足够的压力下，进入核聚变反应。位于试验室周围的磁力系统线圈应防止这种等离子体与设备接触。

热核反应区位于这种圆筒的轴线上。在磁场的帮助下，极热的等离子体流经反应堆喷嘴，产生巨大的推力，比化学发动机的推力大很多倍。

7、反物质引擎

我们周围的所有物质都是由费米子组成的--具有半整数自旋的基本粒子。例如，在原子核中构成质子和中子的夸克，以及电子。此外，每个费米子都有自己的反粒子。对于电子来说，这是一个正电子，对于夸克来说，这是一个反夸克。

反粒子与平常的 "同志 "质量相同，自旋相同，不同的是其他所有量子参数的符号。理论上，反粒子能够构成反物质，但到目前为止，宇宙中还没有任何地方登记过反物质。对于基础科学来说，最大的问题是为什么它不存在。

但在实验室条件下，你可以得到一些反物质。例如，最近有人做了一个实验，比较了储存在磁阱中的质子和反质子的特性。

当反物质和普通物质相遇时，会发生一个相互湮灭的过程，伴随着巨大能量的爆发。所以，如果拿一公斤的物质和反物质来说，它们相遇时释放的能量就相当于人类历史上威力最大的氢弹--"沙皇弹 "的爆炸。

而且，相当一部分能量将以电磁辐射的光子形式释放。据此，人们希望通过*一个类似于太阳帆的光子引擎，将这种能量用于太空旅行，只是在这种情况下，光将由内部源产生。

但为了有效地利用喷气发动机的辐射，就必须解决创造一个能够反射这些光子的 "镜子 "的问题。毕竟，飞船必须以某种方式推开才能产生推力。

任何现代材料根本无法承受这种爆炸时生的辐射，会瞬间蒸发。斯特鲁加茨基兄弟在他们的科幻小说中，通过*一种 "绝对反射器 "解决了这个问题。在现实生活中，还没有人做到这样。这项任务和*大量反物质及其长期储存的问题一样，是未来物理学的问题。