充满科幻感的“离子发动机”，现在已经越来越多地实际应用在航天器上。它的工作机制是什么，有哪些独到的本领？能完全取代传统的化学发动机吗？
看2015年的科幻大片《火星救援》（The Martian）时，你有没有想过，影片里那艘往返于地球和火星之间的大型飞船赫尔墨斯号（Hermes），需要使用什么样的发动机？要完成这样的飞行任务，赫尔墨斯号可以利用地球与火星之间的霍曼转移轨道。
这是一个椭圆形的轨道，它的一端（近日点）与地球的公转轨道相切，另一端（远日点）与火星的公转轨道相切。这样的飞行路线，飞船所需要的初始速度最小，所以比较节省燃料。利用这样的轨道往返，地球与火星的相对位置必须要满足一定的条件，也就是当飞船到达霍曼转移轨道的远日点时，火星要正好也在那个位置。地球和火星的相对位置满足条件的情况（发射窗口），差不多每26个月出现一次。
因为地球和火星的位置一直在变化，所以每一个往返地球和火星之间的霍曼转移轨道，方向都不同。另外，由于地球与火星的公转轨道并不完全在一个平面内，实际情况更为复杂。总之，当赫尔墨斯号一趟又一趟地往返于地球和火星之间时，需要不停地调整轨道。当然，它可以用化学发动机来做这件事。
但实际上，这种需要在长时间内逐渐调整轨道，以及在出发后或即将到达前逐渐加、减速的场合，另一种推进方式更合适，那就是本文所要介绍的电推进。前面提到的《火星救援》的原著中，赫尔墨斯号使用的正是电推进系统的一种——离子推进。
实际上，“离子发动机”一直颇受科幻作品的青睐。早在20世纪60年代，美国科幻电视系列剧《星际迷航》中就提到了离子推进技术。《星球大战》中帝国著名的“钛战机”，其英文名称是TIE fighter，但“TIE”其实和钛并没有什么关系，而正是“双离子发动机”的英文名称Twin Ion Engines的缩写。
电推进技术尽管听起来颇具未来感，但它不只是出现在科幻作品中。实际上，这种技术早已应用在人造卫星上，近年来更是频频亮相。例如，人类第一个探测小行星带的黎明号探测器、飞往小行星采样并返回的隼鸟号和隼鸟2号、2018年10月20日刚刚发射的水星探测器比皮·科伦坡，都搭载了离子推力器。下面，我们就来看看离子推力器这样的电推进系统到底是如何工作的。
电推进技术，顾名思义，就是用电来推进飞船的技术。
目前的航天发动机主要可以分为两大类，一类是传统的化学发动机，还有一类就是新型的电推进装置，通常称为电推力器，也叫电火箭。电推进装置主要又可以分为两种类型。一种是离子型，也叫静电型，就是将推进剂电离形成离子和电子并将二者分离，之后用静电场来加速离子，向后喷出，从而推动飞船前进。另一种是电磁型，也是把推进剂电离后将离子加速喷出，推动飞船，但这种装置还利用了磁场对运动的带电粒子的洛伦兹力。
不过，洛伦兹力只能让在磁场中运动的带电粒子改变行进方向，不能直接用来加速离子。
所以采取间接的方式，例如用磁场控制电子的运动，使得电子在特定的方向积累，形成一个电位差（电场），再利用这个电场来加速离子。离子型和电磁型的电推力器各有什么特点？我们用电磁型的一种——霍尔推力器（Hall Effect Thruster，HET）来与离子型做一个比较。
相对来说，离子推力器比冲比较高、推力比较小；霍尔推力器正好相反，比冲比较低但是推力比较大。此外，离子推力器还存在“空间电荷效应”问题，也就是电荷的密度不能太高，否则分开的离子和电子就会复合。更主要的是，在一定电压下，栅极上网孔的孔径确定后，通过栅极的离子的流量存在一个最大值。要增加流量，就要增加孔的数量，栅极的面积也就要增大，所以整个装置的尺寸会增大。因此，功率越大，离子推力器的体积就要越大。
电磁型的优点是，电子和离子混在一起不用分开，因此可以做得比较小。比如离子推力器的直径是200毫米，同样功率的霍尔推力器的直径就只有100毫米，相当于前者的面积是后者的4倍。功率越大，两种推力器的体积相差越大。
在上述两种类型之外，还有一种叫电热式，是利用电（具体方式可以是电热器、电弧或微波等）对化学推进剂进行加热，加热后的推进剂也像通常的化学发动机那样从喷管加速喷出。
因为本质上还是化学推进，所以这种方式也曾称为电热增强式化学推力器，严格说来不属于本文介绍的通过电场加速粒子的电推进技术。化学推进本质上就是利用化学反应释放的能量来加热气体并使之高速喷出。常用化学推进剂的比冲是两三百秒。含能最高的液氢液氧推进剂，比冲最高，实际中最高已经能做到460秒以上，燃烧效率达到97%以上，逼近理论值。
电推进技术则是将带电粒子（离子）用电场加速后喷出，加速的效果可以随着电压的提高而不断提高，理论上可以把离子加速到接近光速（当然，速度高到一定程度，相对论效应就会表现出来，加速会越来越难）。因为利用电场加速可以得到比化学发动机高得多（现在通常是1～2个数量级）的排气速度，所以电推进的比冲也比化学推进高得多。目前，离子推力器的比冲可以达到三四千秒以上，差不多是化学推进的10倍。
也就是说，电推进的效率可以达到化学推进的10倍。
电推进的比冲非常高，但另一方面，它的推力却非常小。中国空间技术研究院首席研究员魏延明介绍说：“所有发动机都要服从一个很重要的关系，就是推力乘以比冲再除以2，近似等于输入功率。”因此，输入功率一定的情况下，比冲和推力，二者不可兼得。比冲越高，推力就越小。我们在科幻电影中经常看到的场景——发着幽幽蓝光的离子发动机把巨大的飞行器从地面托举到空中，像飞机那样灵活地四处飞行，这实际上是实现不了的。
所以，离子推力器虽然效率很高，却不可能像推力巨大的化学火箭那样用于飞船的发射。现在用于发射的化学火箭的功率是兆瓦级的，即便是这么大的输入功率，对离子推力器来说却只能产生几十牛的推力。而一艘载人飞船至少有数吨重，离子推力器的推力远远不足以抵消它所受到的重力。
另一方面，“现在1千瓦级（相当于一台家用微波炉的功率）的离子推力器，口径要做到200毫米；兆瓦级的口径就要达到2米；如果要能用于发射，口径就会大得不可思议，一个离子发动机本身就可能远远超过飞船的重量。”魏延明研究员表示。
化学火箭发动机的推力虽大，但效率（比冲）很低，所以发射时要携带大量燃料，占到了发射重量的绝大部分（90%以上）。那么，目前的离子推力器的推力到底有多大？
它们的推力其实小得超出一般人的想象——只有区区毫牛（千分之一牛顿）级。例如，美国航天局（NASA）发射的黎明号小行星探测器所使用的氙离子推力器，它的推力约是90毫牛，相当于能在地面上推动不到10克——大约2张普通A4打印纸那么重的物体。换句话说，这个电推力器的推力就像是我们用嘴轻轻吹气时产生的推力。这样的推力简直是微不足道，甚至连一个小型电风扇都比不上。不要说发射飞船，它连自己都推不起来。
电推进的推力这么微弱，为什么却能在太空中发挥重要作用？答案是，它是用时间换速度。因为电推进的效率很高、推进剂消耗很慢，所以携带较少的推进剂就可以长时间工作。在微重力、没有空气阻力的宇宙空间，以这种愚公移山般的方式坚持不懈地逐渐持续加速，日积月累，最终可以达到非常惊人的效果。
黎明号利用电推进技术，实现了对灶神星和谷神星的连续环绕探测（艺术效果图）。我们来看看黎明号这个实际的例子。
在空间环境里，离子推进器将黎明号的速度从0加速到仅仅10千米/小时左右（大约只相当于一般人长跑时的速度），就需要漫长的4天时间。作为对比，现在很多普通轿车，从0加速到100千米/小时的速度只需要10秒钟左右。但是，与很短时间内就会将推进剂消耗殆尽的化学发动机不同，黎明号上的离子推力器可以连续工作数年，不急不忙地慢慢加速，从而产生奇效。
1年后，它增加的速度可以达到约9000千米/小时；到项目结束时，速度增量可以达到11千米/秒（近4万千米/小时）（见《科学世界》2015年第4期“探索太阳系的黎明”一文）。黎明号正是得益于这样的推进技术，所以能够进入灶神星的环绕轨道考察14个月之后再飞离灶神星，继续前往谷神星并进入它的环绕轨道，实现了人类历史上首次对2个天体的连续环绕探测。如果采用化学推进，这是不可能完成的任务。
有人估算过，载人飞船飞往火星，如果用传统的化学推进方式，可能需要飞行6个月才能到达，而如果用先进的电推进技术——可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）的话，可能只需要不到40天的时间。此外，对于同样的航天任务来说，用电推进可以少携带很多推进剂，这样就可以携带更多的仪器设备。
理论上，只要是可以被电离的物质，都可以作为电推进的推进剂。
例如，欧洲正在开发可以利用地球大气层顶端的稀薄气体（主要是氮气和氧气）作为推进剂的电推进系统。不过，目前的电推进系统使用最广泛的推进剂是氙气（Xe），这是为什么？电推进产生的比冲比化学推进高1～2个数量级，因此，推进剂所含的化学能就不重要了。如前文介绍，电推进需要将推进剂电离后再加速，而电离需要消耗能量，这占到离子推力器所消耗能量的很大一部分。
因此，对于电推进来说，需要的不是什么含化学能高的推进剂，而是比较容易被电离的推进剂。一般来说，理想的推进剂是容易被电离、具有较高的质量/电离能比的物质。另一方面，推进剂还要不容易对推力器造成腐蚀，也不会对飞船造成污染。
氙作为一种惰性气体（稀有气体），化学性质很不活泼，不容易与其他物质发生反应，因此不会对电子设备、传感器等造成影响，所以使用起来比较方便、安全。而在惰性气体中，氙相对来说是比较容易电离的。氙是惰性气体中原子序数比较大的元素（仅次于氡），原子半径较大，外层电子离原子核比较远，受到原子核的引力就比较弱，因此相对来说容易被电离。
魏延明研究员介绍说，氙气还有一个很有趣的特点，就是在常温下可以达到“超临界”状态——它的黏度和扩散性质等可以依然接近气体，而它的密度会随着压力而增加，达到接近液体的密度。通常的气体要液化后密度才会明显变大，便于储存。但电推力器工作时，推进剂需要是气态，如果是液化后存储的，还要使之气化，这样就增加了复杂性。
而对于氙气来说，在20℃以下就可以实现超临界状态存储，虽然不是液态，但密度可以达到1.2克/立方厘米（常温，5兆帕压力下），比液态水的密度还高。这样，存储和使用都方便得多。
使用氙作为推进剂，主要的缺点是在地球上含量稀少，价格昂贵。地球大气中含有少量氙气（氙气在空气中的含量不到千分之一），可以分离出来。矿物里面也含有氙，在矿物冶炼过程中，可以把氙气从废气中提取出来。
试验中的以氙作为推进剂的电推力器。电推进器工作时，如果从后面看，会发现它的中心部分是白色的，边缘部分则发出蓝光，这正是氙产生的颜色——中间部分发白的是氙的离子态，边缘部分发蓝的则是氙的激发态（还没有完全达到电离状态）。如果用的不是氙，而是其他推进剂，电推进器工作时的颜色可能就不一样了。
那么，还有没有其他物质适合作为电推力器的推进剂？
虽然理论上来说，只要能够电离、化学活性不强的物质都可以，但不同的物质各有优缺点。虽然电推进不关心推进剂所含的化学能，但在寻找合适的推进剂时，还是要关心它的化学性质。我们先来看看元素周期表上和氙在同一族（列），但在氙上一个周期（行）的氪（Kr）。同样是惰性气体的氪，它在大气中的含量远远超过氙，因此成本只有氙的几分之一。但是，氪的储存问题不太好解决。
而且氪相对来说比较不容易电离，因为它的原子比氙原子小，外层电子离原子核较近，第一电离能比较高。那么，周期表中在氙下一个周期的氡（Rn）是否合适？氡虽然比氙更容易电离，但可惜的是它具有较强的放射性，对航天员或飞船上的电子器件可能产生不利影响。
周期表中排在氙右边的元素，原子序数比氙大1的铯（Cs），属于碱金属，也是很有希望的推进剂（实际上最早的电推进也使用过铯）。它的熔点不是很高，常温下可以以液态形式存在。碱金属的电离能都很低，但是它们的化学活性很高，在空气中很容易氧化，因此不便于使用。周期表中排在氙左边的元素，原子序数比氙小1的碘（I），属于卤族元素，它也比较容易被电离，而且储存密度比较高，不过它的化学活性也比氙高，具有较强的氧化性。
其实，电推进早期使用的推进剂中，除了铯，还有就是常温下为液态的汞（Hg）。汞比氙还要容易电离一些，而且汞在地球上的含量高，很容易从矿物中提取。汞离子的质量较大，综合效率较高。液态汞的密度比钢还高，达到了13.6克/立方厘米，相比之下，氙气在超临界状态下密度才1.2克/立方厘米，所以汞的储存密度是氙气的十几倍。但汞的缺点是具有毒性，而且使用时要将它加热变成汞蒸气。
不过，魏延明研究员认为，在未来的深空探测中，汞还是很可能再发挥出它的优势。
电推进适合于长时间连续工作的场合。电推进系统的寿命远远高于化学推进，目前至少可以达到上万小时，新型电推进系统都可以连续工作数年以上；而化学推进一般只能工作几个小时，用于卫星发射的火箭，甚至是按分钟计算的。所以，大部分电推力器都是用于长时间慢慢变轨，或是用于抵消空气阻力对近地轨道上人造卫星高度的影响。
例如，现在通信卫星很多已经实现了全电推进。通信卫星的位置相对固定，只需要做好位置的保持（南北位保、东西位保），这种任务用电推进更有优势。
当然，深空探测是电推进大展身手的一个重要领域。利用电推进，用一个较小的航天器就可以完成以前需要很大的航天器才能完成的任务。黎明号只有不到1吨重，仅携带了约400千克推进剂，就完成了对2个天体的环绕探测。
“未来，如果我们要探测木星以及其他天体，用化学推进的方式，只能是掠过木星，因为燃料不足以减速进入环绕木星的轨道后再加速飞出。但用高效率的电推进，不但可以环绕木星进行详细的探测，甚至还可以把它的几十个卫星也逐个仔细看一看。”魏延明研究员说。
除了作为航天器的主动力，电推进还可以用于航天器高度、姿态的精细调控。例如用于验证引力波太空探测的LISA探路者，上面搭载了推力只有微牛级（大约能推动地球上的一只蚊子）的微型电推进装置，可以对航天器进行精度极高的控制，这也是用化学发动机无法完成的任务。
人类迈向宇宙深空的步伐从未停止。未来，火星登陆、小行星采样、木星探测等任务，需要比冲更高、推力更大的电推力器；空间科学探测卫星如重力场测量、引力波探测卫星，需要体积小、精度高的电推力器……电推进技术正处于快速发展之中，我们将会看到越来越多更先进的电推力器登上太空舞台。