美国宇航局的离子推进器任务重新划定了太空探索的界限

3 月初，美国宇航局的“黎明”号航天器将进入矮行星谷神星的轨道。“我们将看到一个全新的世界，”“黎明”号首席工程师兼任务主管马克·雷曼说。自发射以来已过去了八年，在访问小行星带第二大天体灶神星四年之后，“黎明”号将成为第一艘在一次任务中绕行两颗外星原行星的航天器。

这一成就得益于直径约一英尺的离子发动机。在每个发动机内部，氙原子受到电子轰击形成离子。每个发动机背面的金属网格充电至大约 1,000 伏，以高达每小时 90,000 英里的速度发射离子。推力微乎其微。（要估算发动机对 Dawn 施加的压力，请拿一张纸放在手掌上。就是这样！）但在零重力、无摩擦的环境中，这种推力的效果会逐渐增强。Dawn 最快时速可达每小时约 24,000 英里。而且由于离子以如此高的速度移动，发动机所需的推进剂更少，从而使其效率比传统化学燃料高出 10 倍。

离子推进“正在占领整个行业”，开发“黎明”号发动机的约翰·布罗菲说。

如果这一切看起来就像电影中会出现的场景，那可能是因为你已经看过了。在《星球大战》中，达斯·维达的 TIE 战斗机是一辆使用离子发动机穿越银河帝国的跑车。就像达斯·维达选择的车辆一样，黎明号使用太阳能将电子输入其耗电的发动机。两块太阳能电池板各有 27 英尺，相当于一个单人网球场的宽度。与必须储存在航天器中的化学燃料不同，这些电池板提供的能源几乎是取之不尽的。

雷曼表示，由于离子推进技术对资源的利用效率前所未有，它使影响深远、耗时长久的任务成为可能，而这些任务原本会超出 NASA 的预算，甚至“根本不可能完成”。现在，航天器可以飞往多个物体，因为离子推进技术可以持续提供推力，让航天器更轻松、更稳定地进入各种物体的轨道，而无需消耗所有燃料。

“它正在接管这个行业。”

“这就像越野，”美国宇航局行星科学部主任吉姆·格林说。“所有行星都有既定的轨道或道路。使用离子发动机，你不必沿着道路行驶。你可以起飞并使用捷径，这些捷径可以带你到达各种地点，距离最多约五个天文单位，可以到达木星。”

离子推进技术进一步提高了人类太空探索的可能性。在未来的任务中，离子推进技术可用于向火星或其他遥远地区的宇航员运送补给。

然而，离子动力发动机只适用于某些类型的太空任务。对于将人类运送到其他世界来说，它的速度太慢了。黎明号从零加速到每小时 60 英里需要四天时间。雷曼说，离子推进器是为耐心任务设计的，对于前往火星或金星等目的地的简单任务来说，它的成本太高，而且太复杂。

电力发动机系统在太空中的应用已有一个多世纪的历史。美国火箭先驱罗伯特·戈达德于 1906 年首次提出了电力推进的想法。大约十年后，他进行了实验，但直到 20 世纪 60 年代研究人员进行亚轨道测试时，NASA 才出现了可以工作的离子推进器。最终，深空一号于 1998 年发射，证明了离子推进在航天器上是可行的。尽管 DS1 最初旨在测试 12 项实验技术，但由于其离子推进器的作用，它成功完成了对小行星 9969 Braille 和彗星 Borrelly 的飞越，并传回了当时人类所见过的最佳彗星图像和数据。2007 年发射的黎明号是首次使用该技术的纯科学任务。

商业卫星自 1979 年以来一直在使用离子推进器。那么为什么科学家花了这么长时间才将它们安装在航天器上呢？这可能是因为到目前为止，这种小众技术还没有大规模应用。“我们开发技术不是为了开发技术，”格林说。“这实际上取决于我们想要进行哪种科学研究，以及哪些技术已经准备就绪。”

前往火星的垫脚石

现在，世界似乎已准备好将离子推进技术应用于太空探索。NASA 的小行星重定向任务将首次将近地小行星移动到绕月的稳定轨道上。航天器将使用离子推进技术到达一颗尚未确定的小行星，将其捕获在袋子中，使用化学推进技术使其减速，最后将其引导回月球轨道。使用常规燃料无法承担这项任务的费用。“唯一能做到这一点的技术是高功率太阳能电力推进技术，”Brophy 说。“我们知道它在 Dawn 的规模下是可行的，而我们需要的是用于火星的功率更高的系统。小行星重定向任务处于中间阶段，是实现这一目标的良好垫脚石。”