到目前為止，在太空中飛的時(shí)間最長(zhǎng)、距離最遠(yuǎn)的人造飛行器當(dāng)屬美國(guó)宇航局發(fā)射的探測(cè)器“旅行者1號(hào)”，它已飛了約45個(gè)年頭，現(xiàn)在距離地球約有238億千米(截至2023年1月)，接近太陽(yáng)系邊緣。為什么這個(gè)個(gè)頭不大的探測(cè)器能在太空中飛行這么多年?如果載人飛船也能飛這么長(zhǎng)時(shí)間、這么遠(yuǎn)距離，進(jìn)行星際旅行不就能成真了嗎?讓我們一起看一看探測(cè)器和人造衛(wèi)星們飛行的秘密吧。

　　無(wú)動(dòng)力飛行的探測(cè)器

　　在地球上，交通器要長(zhǎng)時(shí)間地航行，需要不斷地補(bǔ)充推進(jìn)劑(也叫燃料)，但是，放飛到宇宙中的飛行器是很難補(bǔ)充推進(jìn)劑的。好在，在近乎真空的太空中，許多時(shí)候不需要推進(jìn)器也能飛行。

　　人類唯一登陸過(guò)的外星球是月球，而這個(gè)登月過(guò)程與其說(shuō)是駕著飛船飛過(guò)去的，不如說(shuō)是“飄”過(guò)去的。1969年，阿波羅11號(hào)點(diǎn)火升空，三級(jí)火箭燃燒的時(shí)間大約只有十幾分鐘，這段時(shí)間的沖刺將飛船送到了地球引力范圍的最外層。之后，飛船就關(guān)閉了推進(jìn)系統(tǒng)，地球的引力將飛船甩了出去。因?yàn)樘盏牧Ｗ雍苌?，幾乎沒(méi)有什么飛行阻力，被甩出去的飛船在無(wú)動(dòng)力的狀態(tài)下花了3天時(shí)間“飄”到了月球的引力范圍，才再次點(diǎn)火減速著陸。

　　事實(shí)上，許多太空飛行器在大部分的時(shí)間都處于這樣的無(wú)動(dòng)力漂浮狀態(tài)，比如“旅行者1號(hào)”，它許多時(shí)候都是慢悠悠地漂浮?！奥眯姓?號(hào)”的主動(dòng)力源是核動(dòng)力電池，但是這個(gè)電池平時(shí)的功能是與地球通訊，只有在途經(jīng)星體時(shí)，科學(xué)家才會(huì)啟動(dòng)備用的核動(dòng)力電池點(diǎn)火轉(zhuǎn)向，利用星球的引力將探測(cè)器甩出去，獲得一次加速的機(jī)會(huì)。

　　裝一臺(tái)離子推進(jìn)器

　　無(wú)動(dòng)力飛行雖然能維持很長(zhǎng)時(shí)間，但是有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，就是速度非常慢。“旅行者1號(hào)”飛了45年，仍沒(méi)有飛出太陽(yáng)系，以這種速度想實(shí)現(xiàn)星際旅行，基本沒(méi)可能。沒(méi)關(guān)系，科學(xué)家還有一個(gè)加速的好方法。

　　目前為止，飛行器的加速原理基本一致，向后向下噴出推進(jìn)劑，在反作用力的推動(dòng)下，飛行器就向前向上飛出。因此，如果想要飛行器飛得更快更遠(yuǎn)，飛行時(shí)間更長(zhǎng)，增加推進(jìn)劑就成了第一選擇?？墒?，推進(jìn)劑重量增加得越多，飛行器就變得更大更重，反過(guò)來(lái)又需要消耗更多推進(jìn)劑。小個(gè)子的探測(cè)器和衛(wèi)星無(wú)法攜帶更多的推進(jìn)劑，該怎么辦呢?

　　科學(xué)家想出了一個(gè)絕妙的主意，用離子流給探測(cè)器提供動(dòng)力。這種推進(jìn)器被稱為離子推進(jìn)器，1959年，美國(guó)宇航局的天文學(xué)家哈羅德·考夫曼將其雛形制作了出來(lái)。離子推進(jìn)器的主體不是燃燒室，而是電離室。在這里，電中性的推進(jìn)劑被電離成帶電的離子，同時(shí)電子也被射入電離室中。電離室周圍的電磁線圈產(chǎn)生磁性，讓帶電離子朝后噴出，以對(duì)飛行器產(chǎn)生向前的推力。

　　由于產(chǎn)生推動(dòng)作用的“氣流”僅僅是離子，只需要很少量的推進(jìn)劑就能產(chǎn)生大量離子，且能在很長(zhǎng)時(shí)間里不斷產(chǎn)生離子，所以使用這種推進(jìn)器，只需要很少的推進(jìn)劑，探測(cè)器和人造衛(wèi)星就能維持很長(zhǎng)時(shí)間的飛行。1998年，美國(guó)“深空1號(hào)”彗星探測(cè)器首次將離子推進(jìn)器作為主力推進(jìn)系統(tǒng)，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)自重只有8千克，推進(jìn)劑為82千克的氙，與火箭相比，整個(gè)發(fā)動(dòng)系統(tǒng)的重量簡(jiǎn)直微不足道，但這個(gè)探測(cè)器在太空中整整飛行了20個(gè)月。

　　不過(guò)，離子推進(jìn)器的缺點(diǎn)也很明顯，離子流的推力實(shí)在是太小了?！吧羁?號(hào)”彗星探測(cè)器的推進(jìn)器一整天只能噴100克燃料，推力大約只有90毫牛，與9克物品的重力相當(dāng)，也就是一顆鵪鶉蛋從1米的地方砸到你頭上感受到的力度。這么小的推力，也就能讓小個(gè)子的探測(cè)器和人造衛(wèi)星保持比無(wú)動(dòng)力飛行更快一些的速度，載人飛船想用離子推進(jìn)器進(jìn)行星際旅行，還得繼續(xù)改進(jìn)推進(jìn)器。

　　改進(jìn)離子推進(jìn)器

　　我們需要將離子推進(jìn)器改造到什么程度呢?登月的過(guò)程中，如果全程都有推進(jìn)器加速，假設(shè)推進(jìn)器提供的加速度為一個(gè)重力加速度，飛船去到月球僅需要42小時(shí)。如果飛行器使用能持續(xù)提供一個(gè)重力加速度的離子推進(jìn)器，追上“旅行者1號(hào)”只需24天!不過(guò)我們已經(jīng)知道，離子推進(jìn)器的推力約只有幾十毫牛，遠(yuǎn)達(dá)不到一個(gè)重力加速度的要求，所以想獲得更大的推力，就要改進(jìn)離子推進(jìn)器。

　　霍爾效應(yīng)推進(jìn)器(以下簡(jiǎn)稱“霍爾推進(jìn)器”)是改進(jìn)版離子推進(jìn)器之一?；魻栃?yīng)指的是：電流在磁場(chǎng)中通過(guò)時(shí)，電子或離子會(huì)橫向移動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)體有個(gè)橫向的電勢(shì)差。就好像長(zhǎng)江水流有個(gè)橫向的作用力，使南岸的水位比北岸的高。這樣的好處是，當(dāng)電子和離子混在一起時(shí)，可以利用霍爾效應(yīng)分開，做到一邊電離一邊加速。

　　為了讓混在一起的電子和離子各司其職，霍爾推進(jìn)器的磁場(chǎng)和電場(chǎng)的設(shè)計(jì)顯然更為精巧，噴口從一面篩子變成了一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，增加了一個(gè)磁場(chǎng)。帶電離子被第一個(gè)磁場(chǎng)噴出后，第二個(gè)磁場(chǎng)將離子約束在環(huán)形電離室附近，這些離子在電磁場(chǎng)的作用下再次加速，撞擊后續(xù)剛剛電離出來(lái)的離子，兩批離子再被電場(chǎng)加速射出。這樣，一批離子流能對(duì)飛行器產(chǎn)生兩波推力，推力大增。

　　2020年，中國(guó)自主研發(fā)的20千瓦霍爾推進(jìn)器能產(chǎn)生1牛的推力，這就足以給100克的物體提供一個(gè)重力加速度。美國(guó)宇航局則制造出了功率為100千瓦的X3霍爾推進(jìn)器，能給飛行器產(chǎn)生5.4牛的推力。

　　給離子加熱

　　霍爾推進(jìn)器使離子的推力有了單位的跨越，但是能提供的推力還是小得可憐。為了增加推力，科學(xué)家又想到了一個(gè)新主意：給離子加熱。溫度的微觀本質(zhì)是粒子的速度，溫度越高，粒子速度越快，因此如果在將離子流噴射出去前，能加熱離子流，就能大大提高離子運(yùn)動(dòng)的速度，從而提高其推力。

　　按照這個(gè)思路，美國(guó)宇航局制成了“可變比沖磁等離子體火箭”(VASIMR)，在這個(gè)推進(jìn)器中，離子被電場(chǎng)加速前，先用微波加熱到100萬(wàn)度，變成一團(tuán)高溫等離子體，然后被噴射出去。再在電磁場(chǎng)的約束下，聚集成一束筆直的熱流向后噴出，給飛行器提供更大的推力。目前已被制出的VASIMR推進(jìn)器產(chǎn)生的推力能達(dá)到10牛以上，隨著供給電能的增加，推力還能更大。

　　當(dāng)然，飛行器的重量遠(yuǎn)不止幾百克甚至上千克，其重量一般以噸作單位，載人飛船的重量只會(huì)更大，即使是VASIMR推進(jìn)器，它產(chǎn)生的推力還是很難給載人飛船提供可觀的速度。而且，離子推進(jìn)器需要強(qiáng)勁的電能電離推進(jìn)劑，如何提供更大且可持續(xù)的電能，也是一個(gè)難題。想要制造一個(gè)足以支撐星際旅行的推進(jìn)器，科學(xué)家們還要繼續(xù)努力。