离子电推在中国空间站有什么优势？抛弃化学燃料将超越美国空间站

　　综述
　　相信大家都看过火箭发射的场景，许多小朋友在第一次看到火箭发射的直播画面时会说出火箭和窜天猴一模一样这种让人忍俊不禁的童言童语。其实说得不无道理，窜天猴作为一种鞭炮，想要飞上天，就要依靠内部装填的火药。同理，火箭想要飞出地球，就要依靠足够的燃料来推进。
　　现在全球竞争当中，最为激烈的板块就是能源竞争，因为不论是工业科技发展还是深空探测都需要有源源不断的能源补给。
　　目前帮助火箭升空、卫星和空间站正常运作所使用的能源大多都是化学燃料，不过化学燃料还是太重了，燃烧起来也很快，并不具备循环利用的特征，因此需要经常进行补给。
　　火箭升空
　　每次进行燃料补给的费用都是一笔巨款，空间站作为太空中的常驻居所自然也需要大量的燃料保持自身的推进，毕竟太空中可不像我们地球，将房子修好以后未来的几十年就不用操心了。空间站如果不按时推进干涉，其轨道高度就会不断降低。
　　如果不小心落得太低与地球的大气层有了剐蹭，那么空间站可能就真的要站毁人亡，变成划过天空的流星了。
　　中国的空间站则抛弃了又重又贵的传统化学燃料，改用离子电推技术，在这种技术的支持下，我国的空间站动力性能将超越美国空间站。那么这个离子电推技术究竟是什么神奇的东西，它的优势在哪里呢？
　　中国空间站结构示意图
　　常用化学燃料
　　我们都知道要将火箭这种庞然大物推出地球。势必要让燃料发出大量的热量，这样才能减轻火箭本身的重量，使得火箭快速飞入既定轨道。太空当中用到的燃料通常由各种化学物质组成，根据其形态可以分为液体燃料和固体燃料这两种类型。
　　常用的液体燃料是液态氢，人们将它与液态氧混合之后点燃发现能产生约350的比冲量。早在1960年时液态氢就已经成为了航天探索当中主要使用的燃料，比如我们熟知的阿波罗飞船起飞时也是依靠液态氢作为燃料。
　　氢的能量密度很高，是普通汽油的3倍，这意味着燃料的自重可减轻23，这对火箭飞行无疑是极为有利的。
　　液体火箭与固态火箭存在较大差别
　　固体火箭燃料往往是多种物质混合的，比如二聚酸二异氰酸酯、硼氢化钠等其衍生化学物质都能作为制作固体燃料的原材料。比如说锂、铍、镁、铝等元素，在燃烧时可以释放出大量的热量。
　　哥伦比亚号航天飞机曾用金属铝粉和高氯酸铵混合物作为高性能的复合固体火箭燃料。
　　虽然化学燃料释放出来的能量很大，燃烧的时间也比较长，但是随着航天科技探索需求的进一步提高，这些燃料的缺点也逐渐暴露出来。化学燃料不仅会占据大面积的空间，还增加了发射器自身的重量。
　　空间站的正常运作常常需要通过地面定时发送货船来运输燃料，并且空间站的大小又不像我们地面的住宅这样，想建多大就能建多大，所以备用燃料的安置也很占位置。
　　填装火箭燃料过程
　　离子电推是什么？
　　离子电推技术则能刚好解决化学燃料的问题，所以接下来我们先来看看神奇的离子电推到底是什么，所谓知所从来，才能明其所往，问题的探索需要循序渐进。
　　离子电推技术应用在太空探索当中时也叫离子电推进系统，它是一种非常规性的推进系统，可以借助电能帮助物质离解成为带电粒子，这种带电粒子流在加速之下会产生推力。它的排气速度往往很高，每秒钟可以达到几十甚至几百千米高，起到对设备的推进作用。
　　离子电推系统当中的关键部分就是离子推进器，也可以叫它离子发动机。通过解构这一推进器我们就能看出它运行的原理，它主要是利用正负电荷组成的离子运作。
　　离子电推进系统被广泛应用于航天领域
　　物质进入其中后会被它电解成离子，这之后再利用电能对这些离子进行加速。当离子运动的速度足够快时，就能形成离子流再从尾部排出。
　　不过实际上离子产生的力不会瞬间达到很大，比如美国宇航局的太空1号装有的离子推进器，其推进力大约只有0。1牛顿，但是胜在稳定，它能够保持长期的运转推动。像我们前文当中介绍的那些化学燃料，虽然点燃的时候能释放大量的能量，使得产生很强的推进力，但是维持的时间比较短暂，在飞行当中不可能一直保持着喷射状态。
　　所以离子电推可以成为一种新的能源系统，尤其是对于卫星和空间站这种设备设施来说。它们已经不需要过于强大的推进力再把自己推到很远的地方，而是需要动力将自己固定在轨道上面，以保证设备安全和正常运作。
　　离子电推进系统原理示意图
　　而能够长期稳定推进的离子电推技术恰好可以满足这种需求。离子电推根据离子生成方式的不同，可以划分成三个类型。
　　第一种是利用电力电压较低的工质和金属产生接触，从而使离子生成，这种叫做接触型离子推进器。第二种是利用直流电直接轰击工质，使其发生电离反应，这类叫电子轰击型离子推进器。第三种则是利用高频放电，所以也被称为射频型离子推进器。
　　目前被广泛研究利用的主要是第二种电子轰击型推进器，像我国的空间技术研究院的兰州物理研究所、美国休斯电子公司研究实验室和日本的宇航研究所都在研究这一类型。
　　安装在火箭上的离子电推进系统
　　中国空间站的离子电推有多厉害？
　　总的来说离子电推器的有着比冲高、能耗低、推力较小的特点，不过相较于化学原料，它的重量和体积都更小，所以被广泛运用于空间探索领域，主要作用就是推进。离子电推器的性能主要由比冲、放电电压和工质利用率这三个部分共同决定，所以我们在评价它性能高低时就从推力、比冲和效率这三个方面进行参考。
　　早在2014年2月16日我国的航天科技集团五院510所就表示，经过他们独立研发，我国首台200毫米离子电推进系统，经过飞行验证之后，持续工作已经超过了一万小时。
　　整个离子电推分系统包括1个推进剂贮存模块、1个调压模块、1个流量控制模块、1台离子电推进器以及其他附属设备，系统净重约140千克。
　　小功率的离子电推进系统
　　时至今日，我国已经明确提出空间站需要在轨工作15年左右，而为了维持空间站的高度不变，势必要不断地推进调控，于是霍尔电推进系统诞生了。我国的天和核心舱当中装有中功率的霍尔电推进系统，它能够持续提供空间站轨道维持的动力。
　　目前霍尔电推进系统已经完成了3020次启动次数的实验验证，并且支持在轨更换。此外作为提供粒子的主要原料氙气，也能够通过高纯加注的方式，注入离子电推系统。
　　在这种离子电推技术的支持下，我国的空间站可以保持长期平稳的运作，动力性能将超越美国空间站，并且省下了大量运输燃料的开支。这次离子电推器的安装也使得我国成为了世界首个将独立自主研制的离子电推器安装在载人航天设备上的国家。
　　霍尔离子电推进系统
　　离子电推是未来航天发展的必选项
　　除了能够大幅度减少空间站的能源耗损花费以外，离子电推技术对于整个航天科技而言也有着重要的意义。比如现在发射卫星已经成为了十分常见的事情，但是怎样才能使卫星的寿命延长呢？离子电推就能解决，要知道在太空当中我们可以利用太阳能进行发电，而携带了足够的电解原料，就能不断地发电使得离子电推进器保持长时间的运作。
　　所以离子电推进系统如果能在各种航天设备上进行使用，那么我国的通信卫星、空间站发展程度都将再跃进一个台阶。
　　离子电推进系统的诞生意义重大
　　并且，我们要将目光放得更加长远，未来人类一定会向个宇宙的更远更深处走去，离子电推器装在我们的探测器上，就能持续工作，使它走的更远。
　　比如被大家期待着能够飞出太阳系的旅行者一号，虽然已经飞出了日光层，但是它的能源也马上就要耗尽了。
　　这就意味着这一探测器，即使在未来能流浪到更远的地方，也无法向我们传递回信息了，这两年它就将会和人类彻底断开联络。可是如果它带有离子电推进器，那么情况就会好很多。
　　旅行者一号探索宇宙
　　科学家发现在使用离子电推进系统之后，其比冲是化学燃料的十倍，并且需要的工质少，就能够携带更多的其他设备，用来探索遥远天体。
　　美国的宇航局就计算过，假如采用离子电推进力的探测器去往土星，只需要飞行三年，传统燃料的探测器则要花费七年才能飞抵。
　　离子电推进系统
　　中国人的航天梦
　　可以说，相较于美国这种航天科技起步很早的国家，我国的航天科技发展之路更为曲折。因为别人比我们多出近30年的研究时间，换言之，当别人已经能够稳步向前时，我国的航天科技才刚刚萌芽，处在缓慢成长的阶段。
　　就以本文所介绍的离子推进器来说，早在1965年时美国就进行了首次飞行试验。1970年时发射的SERTII卫星，也搭载了两胎离子推进器。
　　中国航天发展并不容易
　　所幸虽然我们迟来了一些，但是并不晚，在一代又一代中国航天人的勤奋坚持下，我们渐渐追上了别人的脚步。
　　不论是嫦娥五号的成功采壤回归，还是下一步准备载人登月的计划，亦或是马上就能够修缮完成的中国空间站。这些成果向我们证明，即使晚了一些，只要努力，依旧能够实现航天梦想。希望在未来，中国的航天技术能够更上一层楼，带领我们走向更深、更远的宇宙。
　　中国航天正在蓬勃发展
　　结语
　　中国航天的发展虽然曲折，但却一直是在上升的，这可能就是事物发展必将经历的过程吧。毅然的抛弃化学燃料，选择使用离子电推技术是一个十分明智的决定，相信在这样的努力之下，我国更多的航天梦想，如载人登月、登陆火星等等，都能一一实现，请大家耐心一点，静候佳音。
　　中国航天