离子推力器

离子推进器、离子驱动器或离子发动机是一种用于航天器推进的电力推进形式。它通过使用电力加速离子来产生推力。

离子推力器通过从原子中提取一些电子，使中性气体电离，形成正离子云。

离子推力器可分为静电式和电磁式。

静电推力器的离子在库仑力的作用下沿电场方向加速。暂时储存的电子在通过静电网后被中和器重新注入离子云中，因此气体再次变成中性，并能在空间自由散开，不再与推进器发生任何电互动。

相比之下，电磁推进器的离子被洛伦兹力加速，使所有物种（自由电子以及正负离子）在同一方向上加速，无论其电荷量如何，并被特指为等离子体推进引擎，电场不在加速方向上。

离子推力器在运行中通常消耗1-7千瓦的功率，排气速度约为20-50公里/秒（Isp 2000-5000秒），拥有25-250毫牛的推力和65-80%的推进效率，尽管实验版本已经达到100千瓦（130马力），5牛（1.1磅）。

深空1号航天器由一个离子推进器提供动力，在消耗不到74公斤（163磅）氙气的情况下改变了速度4.3公里/秒（2.7英里/秒）。黎明号航天器打破了这一记录，速度变化为11.5公里/秒（7.1英里/秒），尽管它的效率只有一半，需要425公斤（937磅）的氙气。

应用包括控制轨道卫星的方向和位置（一些卫星有几十个低功率的离子推进器），以及用作低质量机器人空间飞行器（如深空1号和黎明号）的主要推进引擎。

离子推力发动机只在太空真空中实用，不能使飞行器穿过大气层，因为离子发动机在发动机外有离子的情况下不工作；此外，发动机的微小推力不能克服任何明显的空气阻力。离子发动机不能产生足够的推力，以实现从任何有明显表面重力的天体的初始升空。由于这些原因，航天器必须依靠其他方法，如传统的化学火箭或非火箭发射技术来达到其初始轨道。

第 一个公开写论文介绍这一想法的人是康斯坦丁-齐奥尔科夫斯基在1911年。该技术被推荐用于高空的近真空条件，但在大气压力下用电离气流证明了推力。这个想法再次出现在Hermann Oberth的Wege zur Raumschiffahrt（太空飞行之路）中，该书于1929年出版，他解释了他对电力推进的质量节约的想法，预测了其在航天器推进和姿态控制中的应用，并提倡带电气体的静电加速。

1959年，哈罗德-R-考夫曼在美国宇航局格伦研究中心的设施中建造了一个工作离子推进器。它类似于一个网格化的静电离子推进器，使用汞作为推进剂。在20世纪60年代进行了亚轨道测试，在1964年，该发动机被送上了空间电动火箭测试-1（SERT-1）的亚轨道飞行。它成功地运行了计划中的31分钟，然后坠落到地球。这次试验之后，在1970年又进行了一次轨道试验，即SERT-2。

在20世纪50年代和60年代，研究了另一种形式的电力推进，霍尔效应推进器。

霍尔效应推进器从1972年开始在卫星上运行，直到20世纪90年代末，主要用于卫星南北方向和东西方向的稳定。大约有100-200台发动机在卫星上完成了任务。1992年，在弹道导弹防御组织的支持下，一个电力推进专家小组参观了实验室后，推进器设计被引入西方。

离子推力器使用离子束（带电的原子或分子），按照动量守恒原则产生推力。加速离子的方法各不相同，但所有设计都利用了离子的电荷/质量比。这个比率意味着相对较小的电位差可以产生较高的排气速度。这减少了所需的反应质量或推进剂的数量，但与化学火箭相比，增加了所需的比功率。因此，离子推力器能够实现高比冲。低推力的缺点是加速度低，因为电动力装置的质量与功率的大小直接相关。这种低推力使离子推力器不适合发射航天器进入轨道，但对较长周期的空间推力却很有效。