【材制 | 视角】离子发动机那点事

2021-09-25 22:15 作者:青春材制 0人读过 | 我要投稿

初原载于爱学习的青春材制

2021-09-24

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“‘行星发动机！’‘这是推进式发动机，全球一共有一万座，主要负责推进地球前进。这还不是最大的，赤道上的转向发动机，那才是真正的巨无霸。’”

这是段来自电影《流浪地球》中的对白。在电影设定中，太阳急速老化，体积不断膨胀，为了地球人民的生存，地球联合政府尽全人类力量修建一万两千座行星发动机，推动地球变轨，飞往半人马座比邻星。

小伙伴们是不是对电影中反复出现的行星发动机产生了深刻的印象？那我们就来介绍一下行星发动机：

在电影的设定中，行星发动机工作时，反应堆通过重元素聚变产生大量超高速离子，这些离子喷出喷射口产生反作用力推动地球前进……

以现有的知识储备，我们很难了解地球发动机的具体构造，想要将其建造出来更是无从谈起。但如果我们将其简化，抛开如何控制重元素聚变，如何选择合适的材料，如何建造等一些我们现在科技水平无法处理的问题，只从工作原理上来讲，那么在座的各位可以轻易理解。

从原理上来讲，“地球发动机”其实是一种离子引擎。

离子引擎通过喷射工质来获得反作用力，从而推动自身前进。所谓的工质，也就是一种物质，可以是空气，燃气，液体等···火箭发射时喷出的燃料，将吹满气的气球松开，气球飞出去时喷出的空气，都是工质的典型代表。

离子引擎最大的好处，在于它的比冲很大。所谓的比冲，也就是发动机能够把工质加速到多快的速度，比冲越大，效率越高。一般火箭所携带的燃料比冲是250m/s，但离子引擎可以达到3000m/s，是一般火箭的十倍之多！由此可见离子引擎的效率之高。

那么离子引擎究竟是如何工作的呢？

一般的离子引擎由电子枪、工质通道、磁铁、中和电子枪、正负极栅板等部分组成，相比于传统化学引擎，离子引擎的结构可谓是相当简单。

离子引擎工作时，炽热的金属丝（图中未画出）源源不断的产生电子，通过电子枪注入反应腔室中。

1.发射出的电子在磁铁产生的磁场作用下偏转，在反应腔室中不断徘徊。与此同时，不带电的工质原子通过工质通道被注入反应腔室，与徘徊中的电子混合：

2.当电子与工质原子（通常为氙原子）碰撞时，会将工质原子电离，形成两个电子和一个一价正离子：

3.多余的电子被反应腔室吸收，一价正离子则飘到正负极栅板处，在两板之间形成的电场作用下被加速喷出，由此形成的反作用力负责推进引擎前进：

由于长时间工作后，反应腔室外壁上会积聚大量电子，妨碍正离子正常喷出，科学家们想到了一个绝顶聪明的办法：在引擎的上部加装一个中和电子枪，将从反应腔室外壁上收集来的电子与正离子一同喷出，这样既解决了电子积聚的问题，又给引擎加了个强化BUFF，在一定程度上增加了引擎的推力，可谓是经济、实惠、还环保。

上述过程在引擎中不断重复，正负离子不断喷出，便形成了推力。

动态展示

离子引擎的原理就给大家讲这么多，屏幕前的大家或许会问：这个东西到底有什么用？能不能吃？

其实离子引擎现在就已经存在并广泛应用于各种人造卫星了，在低轨人造卫星上，离子引擎负责抵消卫星与地球大气的摩擦力，保证卫星在轨正常运行。在探测器上，离子引擎负责提供长久的推力，使探测器不断加速，完成探测任务。中国的“实践9号”，日本的“隼鸟2号”，美国的“深空1号”等探测器均使用离子引擎作为推进器。

然而，目前离子引擎也存在诸多缺点，比如耗能高（即使是最省电的离子引擎功率都在1KW以上）、推力小（NASA新研制的离子引擎推力仅仅能够推动一张纸的重量）等等。如果克服这些缺点，离子引擎的应用前景相当可观。

2018年11月，麻省理工学院研制出了离子推进的飞行器，在未来，小说《三体》中所描述的“飞行汽车”或许都能成真！

通过文章的介绍，离子引擎并非我们所想的那么遥不可及，仿佛只存在于科幻作品中的事物已经应用在了高端科技项目之中。现在的离子引擎还有许多缺陷，但这些缺陷意味着无限的可能，将可能变为现实，将科幻中才有的事物在现实中创造出来，便是我们这一代新青年所需担当的责任与义务。希望各位工大人能够有一颗创新的心，一双开拓的手，为成为科技强国助力，为推动人类科技水平奋斗。

看到这里，大家是不是觉得“地球发动机”离自己又近了一步呢？或许不久的将来，我们也可以制造属于自己的“地球发动机”呢！