【簡介：】本篇文章給大家談?wù)劇峨娡七M(jìn)飛機的能源》對應(yīng)的知識點，希望對各位有所幫助。本文目錄一覽：
1、空天智能電推進(jìn)技術(shù)是學(xué)什么的？這個專業(yè)的就業(yè)方向有哪些？


2、電動飛機的分類

本篇文章給大家談?wù)劇峨娡七M(jìn)飛機的能源》對應(yīng)的知識點，希望對各位有所幫助。

本文目錄一覽：

• 1、空天智能電推進(jìn)技術(shù)是學(xué)什么的？這個專業(yè)的就業(yè)方向有哪些？
• 2、電動飛機的分類
• 3、制造大型電動飛機的技術(shù)難點有哪些？
• 4、電動飛機的優(yōu)點
• 5、科幻作品中的離子電推發(fā)動機在現(xiàn)實中沒有可能研究出來？
• 6、核電推進(jìn)系統(tǒng)能不能用在飛機上?

空天智能電推進(jìn)技術(shù)是學(xué)什么的？這個專業(yè)的就業(yè)方向有哪些？

空天智能電推動專業(yè)以空天四軸飛行器電推進(jìn)技術(shù)、電推動新能源技術(shù)和智能感知及控制系統(tǒng)等三個角度為牽引帶，遵照“結(jié)實基本、最前沿交叉式、通識類會展和加強實踐活動”的標(biāo)準(zhǔn)開展課程內(nèi)容?？仗熘悄茈娡苿蛹夹g(shù)是航天航空將來推動形式的關(guān)鍵發(fā)展前景。航天航空行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略驅(qū)動力包含全世界機動性、自然環(huán)境考驗、技術(shù)性對焦三個方面。

根據(jù)取代然料和優(yōu)秀低碳環(huán)保推動技術(shù)實現(xiàn)向低碳環(huán)保驅(qū)動力的銜接，是解決自然環(huán)境考驗和完成推動技術(shù)創(chuàng)新的重要舉措。近些年，全世界范圍之內(nèi)已盛行了智能電推動技術(shù)發(fā)展風(fēng)潮。空天智能電推進(jìn)技術(shù)憑著高推重比和大功率的“雙高”推動技術(shù)特點，還有在構(gòu)造、通信、自動控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的智慧特點，已經(jīng)成為航天航空行業(yè)將來30年之內(nèi)關(guān)鍵的發(fā)展前景。

創(chuàng)建“空天智能電推進(jìn)技術(shù)”技術(shù)專業(yè)，是北京航空航天大學(xué)響應(yīng)國家“雙碳”戰(zhàn)略發(fā)展總體目標(biāo)，服務(wù)項目國家重大要求，貫徹執(zhí)行新時期高品質(zhì)人才的培養(yǎng)戰(zhàn)略方針的重要舉措。因此，空天智能電推動專業(yè)不僅起點高，同時非常有發(fā)展前途。空天智能電推動技術(shù)是航天航空將來推動形式的關(guān)鍵發(fā)展前景。航天航空行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略驅(qū)動力包含全世界機動性、自然環(huán)境考驗、技術(shù)性對焦三個方面。

根據(jù)取代然料和優(yōu)秀低碳環(huán)保推動技術(shù)實現(xiàn)向低碳環(huán)保驅(qū)動力的銜接，是解決自然環(huán)境考驗和完成推動技術(shù)創(chuàng)新的重要舉措。北航的空天智能電推進(jìn)技術(shù)，人工智能技術(shù)早已進(jìn)到空天動力裝置，必須很多有時間天驅(qū)動力、電力能源、操縱、信息學(xué)交叉科學(xué)環(huán)境的創(chuàng)新型人才，來完成這一方面的研究工作，讓國內(nèi)的航天航空可以做得更好儲備人才.

電動飛機的分類

電動飛機與普通飛機的主要區(qū)別是依靠電動機而不是內(nèi)燃機驅(qū)動。根據(jù)電動力推進(jìn)系統(tǒng)的不同，電動飛機可分為太陽能電動飛機（一般稱為太陽能飛機）、蓄電池電動飛機（目前主要是鋰電池電動飛機）和燃料電池電動飛機。除了純電動飛機以外，還有混合動力飛機。每種類型飛機又分成有人駕駛和無人駕駛兩類。 “太陽挑戰(zhàn)者”號

1980年，保羅·麥卡克萊迪（Paul MacCready）設(shè)計的蜘蛛絲-企鵝號（Gossamer Penguin）太陽能飛機在美國加利福尼亞州第一次實現(xiàn)載人飛行，當(dāng)時是由他十三歲的兒子進(jìn)行控制。1981年，改進(jìn)型的“太陽挑戰(zhàn)者”號成功穿越了英吉利海峽，當(dāng)時平均時速為54公里。它是一架單座太陽能飛機，翼展14．3米，飛機空重90公斤，機翼和水平尾翼上表面共有16000多片硅太陽電池，在理想陽光的照射下能輸出3000瓦以上的功率。

右圖為蜘蛛絲-企鵝號電動飛機圖冊，源自美國國家航空航天局官網(wǎng)。

“太陽神”號

在“太陽挑戰(zhàn)者”號的基礎(chǔ)上，美國航空環(huán)境公司（AeroVironment）在美國宇航局環(huán)境研究飛機和傳感技術(shù)項目資助下設(shè)計制造出“太陽神”號太陽能無人機?！疤柹瘛碧柡馁Y約1500萬美元，用碳纖維合成物制造，整架飛機僅重590公斤，比小型汽車還要輕?！疤柹瘛碧杻蓚€寬大的機翼全面伸展時卻達(dá)75米，波音747飛機和“陽光動力”號飛機都望塵莫及。 1999年，“太陽神”號在加州試飛，當(dāng)時完全靠電池驅(qū)動。2001年，研究人員將“太陽神”號運往更加適宜飛行的夏威夷，裝上65000片太陽能板，由地面兩名機師透過遙控設(shè)備“駕駛”；飛行了10小時17分后，“太陽神”號達(dá)到22800米的目標(biāo)高度。2003年6月26日，“太陽神”號因在試飛時突然遭遇強湍流導(dǎo)致空中解體，墜入夏威夷考艾島附近海域。

右上圖為“太陽神”號太陽能無人機的圖冊，源自美國國家航空航天局官網(wǎng)。

“陽光動力”號

2010年7月8日，瑞士“陽光動力”號太陽能飛機在試飛成功。這架飛機耗資一億美元、歷時七年打造，是世界上第一架晝夜連飛的太陽能飛機。機身由超輕碳纖維復(fù)合材料制成，翼展長達(dá)63.4米，相當(dāng)于波音747的長度，重量相當(dāng)于一輛普通轎車，其機翼上裝有1.2萬塊太陽能電池板，高性能聚合鋰電池以及4臺發(fā)動機。飛機每臺發(fā)動機的最大功率為10馬力即總功率為40馬力，飛行時速為70公里。更重要的是，它是一架完全由太陽能驅(qū)動的飛機。

截至2012年5月底，這架采用太陽能動力的載人飛機，仍保持著26小時10分鐘19秒的飛行時間紀(jì)錄，同時也創(chuàng)下了海拔9235米的飛行高度紀(jì)錄。

2012年5月24日，“陽光動力”號首次嘗試從瑞士到摩洛哥的洲際飛行，全程使用太陽能動力。此次飛行是為2014年的環(huán)球飛行作準(zhǔn)備。

2012年5月24日，從瑞士帕耶訥出發(fā)，由該項目的兩位發(fā)起人博爾施貝格和皮卡爾輪流駕駛。在歷時17個小時后，抵達(dá)西班牙首都馬德里。此后，受直布羅陀海峽多風(fēng)天氣影響，“太陽驅(qū)動”號在馬德里逗留了約10天。

2012年6月5日，“陽光動力”號從馬德里的巴拉哈斯機場起飛，飛向西班牙西南部，6月5日深夜徐徐降落在北非國家摩洛哥的拉巴特－薩累機場。皮卡爾在走下飛機后對媒體說，“陽光動力”號的最終目的地是摩洛哥中部城市瓦爾扎扎特，總共飛行里程將達(dá)2500公里。他說，此次飛行不僅是為了增強人們對太陽能的信心，同時也是為了支持摩洛哥在瓦爾扎扎特建設(shè)大型太陽能發(fā)電站的計劃，以推動減少對化石燃料的依賴。

此次飛行標(biāo)志著人類歷史上第一架太陽能飛機完成跨越歐非大陸之旅。據(jù)報道，有專家預(yù)計，40多年后，太陽能飛機在解決太陽能吸收、大幅提高電池功效之后，能夠承載300名乘客的大型太陽能飛機有望投入運營。 Cri-Cri電動飛機

2010年9月2日，歐洲航宇集團公司（EADS公司）全電飛機Cri-Cri在巴黎Le Bourget機場正式進(jìn)行首飛。這架四引擎的特技飛行飛機由EADS創(chuàng)新工廠、Aero Composites Saintonge公司和綠色Cri-Cri協(xié)會聯(lián)合開發(fā)。飛機在首飛中進(jìn)行了7分鐘的不間斷飛行。

Cri-Cri是單座型飛機，基于Cri-Cri自制飛機研制，采用了復(fù)合材料，以降低自身重量，并彌補因安裝鋰電池而增加的重量。

Cri-Cri動力來自于由4臺無刷電機驅(qū)動的反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳，無二氧化碳排放，能夠以110千米/小時的速度巡航30分鐘，以248千米/小時的速度進(jìn)行15分鐘的特技飛行，爬升速度5.3米/秒。

E430電動飛機

2010年7月28日，中國制造的世界首架商用純電動E430電動飛機在美國威斯康辛州奧什科什市機場“飛來者大會”試飛成功，起飛平穩(wěn)，飛行高度達(dá)到3000米左右。試飛現(xiàn)場共有80萬名飛行迷和近萬架飛機，其中包括中國E430電動飛機主創(chuàng)設(shè)計團隊。

2009年1月，E430成功下線，其外形圓潤，帶有V形尾翼，翼展13.8米，機身長約7米，可乘坐兩人，配有40千瓦（54馬力）的電動機，動力采用30AH的鋰聚合物電池，產(chǎn)品性能大大優(yōu)于世界同類產(chǎn)品。2009年1月24日，E430在位于上海郊區(qū)的機場首次起飛，獲得了一系列堪稱世界第一的技術(shù)參數(shù)：最大起飛重量430公斤，最高時速150公里，經(jīng)濟時速95公里；可續(xù)航2-3個小時，充電時間3-4個小時，每次充電約需5美元。

中國E430以良好的性能在奧什科什完美亮相，標(biāo)志著世界第一架商用純電動飛機正式誕生，一舉打破了歐美國家長期主宰低空飛行的格局。首屆林白電動飛機大獎評審會決定將最佳電動飛機大獎頒發(fā)給中國Yuneec公司，美國Sonex飛機公司獲得最佳電動系統(tǒng)設(shè)計獎，德國的Lange飛機公司獲得最佳電動滑翔機獎。去年，E430又榮獲英國倫敦設(shè)計博物館主辦的英國生命保險設(shè)計大獎，被授予交通類設(shè)計大獎。

2011年，中國Yuneec公司曾計劃實現(xiàn)E430批量生產(chǎn)，并通過英國公司全部包銷，每架飛機定價為8.9萬美元。 “安塔里斯”號

2009年7月7日，世界首架利用燃料電池驅(qū)動的有人駕駛飛機在德國漢堡升空。這架飛機名為“安塔里斯”號DLR-H2型機動滑翔機。它由德國航空航天中心和一些私人企業(yè)共同研制。德國航空航天中心專家約翰·迪特里?！の旨{說：“我們在電池效率和表現(xiàn)上實現(xiàn)了許多改進(jìn)，飛機可以只靠燃料電池實現(xiàn)起飛。”“安塔里斯”利用氫作為燃料，通過和空氣中的氧發(fā)生電化反應(yīng)產(chǎn)生能量。在最佳情況下，這種飛機可連續(xù)飛行5小時，飛行半徑達(dá)到750公里。

制造大型電動飛機的技術(shù)難點有哪些？

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電動飛行

外形獨特、采用電動或混合推進(jìn)系統(tǒng)的飛機遲早將飛上藍(lán)天。

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七月，空客公司試飛員迪迪邇·埃森登（Didier Esteyne）駕駛一架兩座小型電動飛機E-Fan飛越英吉利海峽。作為歐洲大型航空集團，空客發(fā)布特別聲明指出E-Fan飛越英吉利海峽飛并非作秀。實際上，空客公司為了將E-Fan作為教練機進(jìn)行量產(chǎn)，對電動飛機采取了十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。E-Fan電動飛機將在2017年開始銷售，四座型E-Fan電動飛機也將隨后上市。

除了空客公司之外，還有其他飛機制造廠商考慮制造比E-Fan大得多的電動或混合動力載人飛機。與飛機活塞發(fā)動機和噴氣發(fā)動機相比，飛機電動推進(jìn)裝置有著多種優(yōu)勢，這與汽車行業(yè)的情況一樣。現(xiàn)代化的數(shù)控電動機輸出大扭矩，扭矩是指螺旋槳或電扇葉片轉(zhuǎn)動時的旋轉(zhuǎn)力量。飛機電動推進(jìn)裝置不僅運行安靜、清潔、可靠性高，而且可磨損或損壞的機械部件較少。

說實在的，電動飛機電池提供的飛行里程讓很多人不感興趣：E-Fan電動飛機的鋰電池在保證30分鐘飛行電量冗余的前提下，只能讓其飛行一個小時。一小時飛行時間，滿足一節(jié)飛行訓(xùn)練課倒是沒問題，卻可能無法滿足客機使用要求。不過，電池性能有了穩(wěn)步改善，以及飛機具有較長的使用壽命（波音747于1969首飛）的原因，航空工程師開展了各種項目，以研制未來飛機。

讓航空工程師們感到興奮的是電動推進(jìn)裝置讓他們能制造出與完全不同與常規(guī)飛機的電動飛機，如同空客公司上述展示的電動推進(jìn)概念。電動推進(jìn)概念是指飛機不再依靠機翼下沉重的大型噴氣發(fā)動機飛行，而是依靠數(shù)量眾多的小型而輕巧的電動螺旋槳飛行，這些小型電動螺旋槳可以安裝在飛機各個部位。如果使用小型常規(guī)噴氣發(fā)動機，飛機結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜，而且重量也將大幅增加。

電動機讓所謂的分布式電動推進(jìn)概念變得可行。分布式電動推進(jìn)的好處就是能提高經(jīng)過機翼的氣流，讓飛機的飛行效率變得更高。馬克·摩爾是美國國家航空航天局維吉尼亞藍(lán)勒研發(fā)中心的主研究員，他表示“‘分布式電動推進(jìn)’將從根本上改變我們設(shè)計飛機的方式?！?/p>

蓄勢待發(fā)

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在加州愛德華空軍基地，美國國家航空航天局正測試分布式電動推進(jìn)機翼：分布式電動推進(jìn)機翼被安裝到一輛卡車上，在電動推進(jìn)機翼的推動下，卡車高速行駛在一個干涸的湖床上。18臺小型電動螺旋槳被并排安裝在機翼前緣。美國國家航空航天局的下一步是進(jìn)行“權(quán)杖（Sceptor）項目”。按照權(quán)杖項目的計劃，美國國家航空航天局將用一對分布式電動推進(jìn)機翼來替換意大利Tecnam公司制造的P2006T四座雙引擎輕型飛機的機翼，這對分布式電動推進(jìn)機翼上裝有十二臺左右電動螺旋槳（見圖片）。按計劃，權(quán)杖項目將于2017年開始執(zhí)行。

權(quán)杖項目使用的并排小型電動螺旋槳能提高飛機低速飛行時的升力，讓飛機能在較短的跑道上起飛，機翼也能做得更加纖細(xì)，分布式電動推進(jìn)機翼的寬度有可能僅是常規(guī)飛機機翼的三分之一，降低了飛機的重量和燃油成本。輕型飛機的機翼通常相對較大，以防止飛機失速（在低速飛行時，機翼不能提供足夠的升力）。當(dāng)飛機進(jìn)行巡航飛行時，大機翼會產(chǎn)生更多阻力，效率不高。權(quán)杖項目使用的分布式電動推進(jìn)機翼經(jīng)過優(yōu)化，有利于巡航飛行，還有助于防止飛機在起飛或降落時發(fā)生失速。

分布式電動推進(jìn)機翼還有其他功能。分布式電動推進(jìn)機翼上的每個電動螺旋槳都被獨立控制，此功能可改變氣流通過機翼的方式，以應(yīng)對快速變化的飛行條件，例如陣風(fēng)。當(dāng)飛機進(jìn)行巡航飛行時，靠近機身的電動螺旋槳能向后折疊，只讓翼尖部分的電動螺旋槳工作。如果權(quán)杖項目取得成功，分布式電動推進(jìn)技術(shù)在十年內(nèi)被用于小型支線飛機，甚至現(xiàn)在正在研制電池技術(shù)也將與分布式電動推進(jìn)技術(shù)同時被運用到小飛機上。馬克·摩爾先生表示：此類小型飛機飛行時不會排放廢氣，非常安靜，飛行成本將下降約30%。

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空客公司的電動推進(jìn)概念不局限于飛機跑道?？湛凸九c英國知名噴氣發(fā)動機制造廠商勞斯萊斯公司以及其他研究團隊開展了合作項目，開發(fā)飛機或其他飛行器，此類飛行器計劃2050年投入使用。到那時，歐盟期望航空業(yè)客機的燃油消耗、廢氣排放和噪音水平將比現(xiàn)有最高設(shè)計水平還低至少20-30%。

電動推進(jìn)技術(shù)的目的就是實現(xiàn)上述各項目標(biāo)，并能讓電動飛機在載員約90人的條件下，飛行兩小時甚至更久，機載電池仍然有較多的安全可用余量。要是實現(xiàn)此目的，前提是儲電技術(shù)取得突破，這可能不需要耗費幾十年時間。電動推進(jìn)技術(shù)概念也能使用分布式電動推進(jìn)裝置，但有可能是其改進(jìn)型號，因為電動推進(jìn)技術(shù)屬于混合合動力技術(shù)。

電動推進(jìn)飛機在尾部安裝了一臺常規(guī)噴氣發(fā)動機，在每個機翼上安裝了三臺電動螺旋槳。當(dāng)飛機起飛時，噴氣發(fā)動機和六臺電動螺旋槳都會啟動，以提供最大升力；一旦飛機飛到巡航高度，噴氣發(fā)動機的油門將被關(guān)小，但其輸出功率仍然足夠為電動螺旋槳和機載電池供電。在飛機降低飛行高度時，噴氣發(fā)動機和電動螺旋槳都將關(guān)閉；當(dāng)飛機處于滑翔狀態(tài)時，迎面而來的氣流將驅(qū)動電動螺旋槳轉(zhuǎn)動，讓電動螺旋槳以風(fēng)輪發(fā)電機工作方式運行，為機載電池充電。當(dāng)飛機著陸時，電動螺旋槳將被啟動，噴氣發(fā)動機處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，一旦有需要將飛機拉起復(fù)飛，噴氣發(fā)動機就能隨時提供額外動力。

混合動力系統(tǒng)能大幅提高噴氣飛機的涵道比，這是它的一個優(yōu)點。涵道比是指穿過噴氣發(fā)動機高溫區(qū)的空氣數(shù)量與在高溫區(qū)燃燒室提供氧氣的空氣數(shù)量的比值。早期客機采用的是低涵道比的噴氣發(fā)動機，通過將高速空氣氣流從尾部中心噴出來產(chǎn)生大量推力；這讓早期噴氣發(fā)動機噪音大，油耗高。隨著燃油不再在噴氣發(fā)動機中心燃燒，噴氣發(fā)動機就成為了一臺渦輪機，可以帶動發(fā)電機前部的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，從讓噴氣發(fā)動機吸入更多空氣。只要采用更大的風(fēng)扇，噴氣發(fā)動機就能將空氣以較慢速度吸入軸心外圍。采用大風(fēng)扇的噴氣發(fā)動機工作效率更高，而噪音卻降低了。這就是噴氣發(fā)動機這幾年變得越來越肥大的原因。

上世紀(jì)70年代的噴氣發(fā)動機的涵道比為5:1，與之相比，現(xiàn)在的噴氣發(fā)動機的涵道比最高能達(dá)到12:1。制造更大的渦輪風(fēng)扇噴氣發(fā)動機變得越來越難了，因為大風(fēng)扇占用機翼下部的空間變得越來越大；大噴氣發(fā)動機需要強度更高的機翼來掛載，而這又會飛增加機重量。電動推進(jìn)飛機采用的混合動力裝置能很好地避免這些問題的產(chǎn)生，因為只有飛機尾部的噴氣發(fā)動機有一個燃油燃燒中心。這意味著驅(qū)動全部六臺電動螺旋槳的空氣氣流讓噴氣發(fā)動機的有效涵道比達(dá)到20:1，甚至更高，讓飛機具有很高的燃油效率，飛行也變得更加安靜。

平穩(wěn)執(zhí)行機構(gòu)

分布式引擎另一個好處就是能抵消機翼氣流邊界層的影響。氣流邊界層是指靠近機翼表面十分稀薄的一層空氣，這些空氣分子與機翼表面摩擦而導(dǎo)致氣流速度變慢。氣流邊界層經(jīng)過凸起剖面形狀的機翼時（這是機翼能產(chǎn)生升力的原因），會導(dǎo)致紊流，而紊流又會讓噴氣飛機后面形成尾流。通過調(diào)整電力推進(jìn)飛機機翼上的電動螺旋槳，可以對氣流邊界層進(jìn)行攔截，電動螺旋槳可以加速空氣通過機翼的速度，降低尾流帶來的阻力。

讓電動推進(jìn)飛機飛上藍(lán)天，還得在兩個技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展。除了要有更好的電池，還得有超導(dǎo)技術(shù)。超導(dǎo)是指特定材料被冷凍至臨界溫度時，電阻消失的特性。降低材料電阻能讓電氣結(jié)構(gòu)和電動機系統(tǒng)變得更輕，輸出功率卻足夠讓飛機飛上天。超導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)在小型設(shè)備上得到實現(xiàn)，如醫(yī)院的掃描機。要滿足飛機的使用要求，必須對材料進(jìn)行激冷處理，其激冷級別超出了市場設(shè)備能達(dá)到的水平。劍橋大學(xué)的研究團隊正與空客公司共同解決這個難題。

只要解決了這些難題，電動飛機就具備了飛上藍(lán)天的能力。最初的電動飛機將是小飛機，隨著技術(shù)的改進(jìn)，電動飛機將變得越來越大，運載的乘客也越來越多?？湛凸绢A(yù)計一些電動飛機的技術(shù)還有助于常規(guī)飛機提供效率及降低噪音。

電動飛機的優(yōu)點

電動飛機使用電動力推進(jìn)系統(tǒng)代替內(nèi)燃機動力，從而獲得了很多優(yōu)點和獨特品質(zhì)。最突出的優(yōu)點是節(jié)能環(huán)保，效率高能耗低，同時實現(xiàn)接近零排放，噪聲和振動水平很低，乘坐舒適性好，是名符其實的環(huán)境友好飛機。此外，還具有安全可靠（不會發(fā)生爆炸和燃料泄漏）、結(jié)構(gòu)簡單、操作使用簡便、維修性好/費用低、經(jīng)濟性好等特點。在設(shè)計上也有很多優(yōu)勢：總體布局靈活，可采用最佳布局和非常規(guī)/創(chuàng)新布局；可設(shè)計出具有超常性能的飛機，滿足特殊用途需求等。

科幻作品中的離子電推發(fā)動機在現(xiàn)實中沒有可能研究出來？

大家口中的電推一般指的就是離子電推進(jìn)發(fā)動機，我們在很多科幻片中都見到過它的身影，比如《普羅米修斯》中的普羅米修斯號飛船就裝載了四臺炫酷無比的離子發(fā)動機，登陸異形星球的場景實在震撼。不過請不要以為離子發(fā)動機只是停留在科幻片中，早在1959年美國物理學(xué)家哈羅德·R·考夫曼就制造出了第一臺離子發(fā)動機，當(dāng)時用的推進(jìn)劑是汞。

想必各位心中肯定有一個疑問，既然先進(jìn)的離子發(fā)動機在1959年就被制造出來了，為什么到現(xiàn)在我們還在地球上徘徊，科幻片中不是說這種發(fā)動機能上天入地么？不妨來了解下離子發(fā)動機的前世今生。離子電推進(jìn)發(fā)動機的原理是什么？最早的離子發(fā)動機的原理很簡單，將推進(jìn)劑電離，然后將其中的電子和離子分離，然后將質(zhì)量比較高的離子通過電場加速向后方高速排出，即可獲得推進(jìn)動力。如果要調(diào)節(jié)發(fā)動機推力，那么只要調(diào)整電場的強度即可。當(dāng)然您肯定發(fā)現(xiàn)了剛分離的電子去哪里了？帶正電荷的粒子排出后發(fā)動機會積累負(fù)電荷，因此最后必須用電子槍將電子注入羽流中，讓它們在宇宙中繼續(xù)團圓成完整的原子。

經(jīng)濟性非常好；結(jié)構(gòu)簡單、推力調(diào)節(jié)方便；比沖是化學(xué)火箭發(fā)動機的十倍以上這里必須要解釋一個比沖的概念：比沖的定義是火箭單位質(zhì)量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量，簡單的說就是發(fā)動機的的效率，越高表示效率越好，單位質(zhì)量的燃料能將火箭加速到更快的速度。比如早期用于通訊衛(wèi)星的壽命期內(nèi)軌道維持燃料一般高達(dá)數(shù)噸，改用電推發(fā)動機后只要數(shù)百千克即可。

看上去很美的離子發(fā)動機卻有一個致命的弱點，它的推力太小了，甚至只能吹氣一張紙，這限制了它的應(yīng)用，但這個弱點在太空中卻不那么顯著，所以離子發(fā)動機還是如火如荼的發(fā)展起來了。離子發(fā)動機主要有哪幾種？各有什么優(yōu)缺點通過離子發(fā)動機的結(jié)構(gòu)我們可以知道這種推進(jìn)方式有幾個關(guān)鍵，分別是：。等離子體的產(chǎn)生方式。離子的加速方式。一般我們以離子的加速方式來區(qū)分離子發(fā)動機，分別是靜電式（離子式）和電磁式（霍爾式），靜電式的原理是推進(jìn)劑電離后，利用柵極提取離子，再利用靜電場來加速離子，最終用電子槍中和離子避免電荷在發(fā)動機上積累。

電磁型則是利用磁場控制電子的運動，讓電子在推進(jìn)方向上積累，形成一個電位差，然后再用這個制造的電位差來加速離子，獲得推進(jìn)動力。從兩者的結(jié)構(gòu)區(qū)別來看靜電式的體積會比較大，因為靜電式推進(jìn)器比沖很高，但它的推力并不高，主要是因為靜電式推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)制約了它的推力增加，我們知道增加推力有兩個方式：增加離子排氣速度；增加離子排氣密度

前者靜電式已經(jīng)做到了極致，在幾種結(jié)構(gòu)中它的噴口離子速度是比較高的，但它的流量上不去，因為靜電式是通過格柵電位差加速的，當(dāng)網(wǎng)孔和電壓確定以后，它的離子排氣密度就確定了（存在空間電荷效應(yīng)，電荷密度不能太高，否則分離的離子和電子會重新捕獲成電中性原子），因此要增加流量勢必會增加網(wǎng)孔數(shù)量，那么它的尺寸就會幾何級數(shù)增加，相當(dāng)于流速確定的情況下，要讓水多流一點出來，就只能多開幾個孔了。

靜電式離子推進(jìn)的結(jié)構(gòu)原理圖

電磁式則剛好與靜電式相反，比如電磁式中如火如荼發(fā)展的霍爾推進(jìn)發(fā)動機中，它的離子排氣速度比較低，但它的流量很高，這有點像化學(xué)火箭，但它仍然比化學(xué)火箭比沖要高得多。另外電磁式推進(jìn)還有一個好處，它沒有加速柵極，不存在柵極壽命的問題，并且在推力上取得了一個平衡（靜電式推力實在比較小，但比沖高，適合長時間執(zhí)行任務(wù)的深空探測器），因此未來的載人深空飛船發(fā)動機發(fā)展中電磁式也許將占主導(dǎo)地位。

電磁式推進(jìn)：霍爾推進(jìn)的原理圖

最后還得提一下電子場致發(fā)射發(fā)動機，其實它也是一種離子發(fā)動機，它的原理與以上幾種都不同，在一個高壓電場下，金屬銫被激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)形成一個泰勒錐，從錐尖射出的離子流在高壓電場的加速下達(dá)到100千米/秒，從而形成推力，這種發(fā)動機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，體積極小，但它的推力也極小，大約在150微牛以下，不過它的比沖極高可達(dá)10000S。

電子場致發(fā)射發(fā)動機的體積可以做到令人咋舌的程度，跟硬幣差不多，它未來的應(yīng)用是航天器的姿態(tài)維持，比如正在建設(shè)者中空間引力波天線。

電推發(fā)動機的推進(jìn)劑與電離方式

了解了兩種典型的電推進(jìn)方式后，我們再來了解下推進(jìn)劑以及離子產(chǎn)生的方式，為什么要先說推進(jìn)方式后說離子產(chǎn)生方式呢？如果不這樣的話倒過介紹來容易搞混概念。

電推發(fā)動機的推進(jìn)劑

早期用的是劇毒物質(zhì)汞，為什么要用這種劇毒物質(zhì)呢？因為推進(jìn)劑的選擇有幾個要求：容易電離；儲量大，容易獲??；密度大（燃料箱不占地方，而且推進(jìn)效率高，因為排放的離子質(zhì)量大）。但汞的缺點也是顯而易見的，毒性前文已經(jīng)說明，另一個特性是它盡管很容易電離，但首先要加熱蒸發(fā)成蒸汽才達(dá)到電離條件，對于能耗管理要求極高的空間探測器來說，這可是個耗電大戶。一般對于汞的缺點說明到這里也就結(jié)束了，但它還有另一個很少提及的問題，離子是帶正電荷的，盡管電子束已經(jīng)中和，但仍然存在汞離子吸附著在探測器表面的問題（電推進(jìn)器的噴射束寬以及濺射角度很關(guān)鍵），比如探測器的熱控材料與太陽能電池表面，嚴(yán)重影響原有設(shè)計性能。

從結(jié)構(gòu)上看，這是一種靜電式的離子電推發(fā)動機，它的離子束濺射角度是比較大的，因此必須要考慮對航天器附帶損傷的問題。

氙的核外電子排布

現(xiàn)代電推進(jìn)發(fā)動機一般選擇惰性氣體氙，它的“惰性”表明它不容易和其他物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，即使濺射后果影響也會小很多，氙原子比較容易電離。另外氙還有能在常溫下達(dá)到超臨界的特性，此時它的密度可達(dá)水的1.2倍，大大減小了存儲空間，這對于體積大小極度敏感的探測器來說非常長重要。

除了氙以外還有別的推進(jìn)劑嗎？當(dāng)然有，只要滿足上述要求的都可以，比如固體特氟隆，也許這會讓大家大跌眼鏡，電推進(jìn)發(fā)動機中還有固體“燃料”發(fā)動機的。

在這里要重新提一下汞，盡管汞存在諸多缺點，但它在未來深空載人探測任務(wù)上極具優(yōu)勢，因為它的密度極大，而載人飛行的飛船同樣質(zhì)量巨大，需要大量的推進(jìn)劑消耗，而汞這種成本極低的“燃料”是未來深空載人任務(wù)的理想推進(jìn)劑。

電推進(jìn)發(fā)動機的電離方式

其實在離子發(fā)動機中這是第一步，因為離子發(fā)動機不能加速中性原子，只能加速電子（負(fù)電荷）或者原子核（離子（正電荷）），那么首要的任務(wù)就是將推進(jìn)劑的媒介物質(zhì)電離，一般的電離方式有：直流放電；電子轟擊；射頻放電；回旋共振

電離是在電離室（Discharge Chamber）內(nèi)完成的，在充滿工質(zhì)的電離室內(nèi)激發(fā)和并完成電離，在通過前文說明的比如離子推進(jìn)是柵極，電磁推進(jìn)則是交替磁場與電場等。有一點需要注意的是離子推進(jìn)器中電離區(qū)和加速區(qū)是分離的，相對效率很很高，單位質(zhì)量推進(jìn)劑利用率很高，缺點則是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。電磁推進(jìn)的電離區(qū)和加速區(qū)是一體的，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸更小，對電源要求也比較低，相對可靠性也更高。

電推進(jìn)發(fā)動機的電源

電推進(jìn)發(fā)動機最關(guān)鍵的幾個組成部分，發(fā)動機、推進(jìn)劑與電源，所以電源是電推發(fā)動機的關(guān)鍵組成之一，一般現(xiàn)代航天器的電源有如下幾種：太陽能電池；同位素電池。在土星軌道以內(nèi)，探測器的電源用太陽能電池仍然是可以接受的，盡管太陽能密度降低，但對于探測器并不是特別高的電源需求仍然可以勉強滿足，但各位肯定會發(fā)現(xiàn)，越是往外的探測器，太陽能天線會越來越大。

木星探測器朱諾，它的標(biāo)志是均勻分布的三面巨大的太陽能電池，當(dāng)然各位可能也發(fā)現(xiàn)了當(dāng)年的旅行者根本就沒有太陽能電池，因為它用的钚同位素電池，它的目標(biāo)是太陽系以外，那里的太陽猶如一顆大星星，所以只能使用同位素電池，但對于電推這個耗電大戶來說(千瓦級別的電推進(jìn)發(fā)動機也只能達(dá)到數(shù)十最多上百毫牛)，如果要達(dá)到載人級別的話怎么也得牛頓級別：

黎明號小行星探測器的太陽能電池功率：距離1AU：功率10000 瓦；距離3AU：功率1300 瓦。它攜帶的氙離子電推發(fā)動機推力為90毫牛，而在3AU時并不能全功率推進(jìn)，因此電源將成為制約未來深空任務(wù)的重大因素之一，因為同位素電池盡管不受與太陽距離限制，但提供的功率仍然有限，必須要用功率更大的空間堆，比如能提供數(shù)十千瓦甚至百千瓦乃至兆瓦級別的空間堆。

空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)

空間核反應(yīng)堆從原理上來看與地面的核裂變電站并沒有區(qū)別，但熱交換系統(tǒng)在空間堆中無法使用外界冷卻水，只能通過輻射的形式散熱，因此未來的空間堆必定會有一個超大的輻射散熱盤，除非它采用熱電直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，但就當(dāng)前的熱電技術(shù)而言，效率還處在比較低的水平。

電推進(jìn)發(fā)動機的應(yīng)用

電推進(jìn)發(fā)動機最早空間測試是在1964年發(fā)射的 SERT 1 （太空電力推進(jìn)試驗），探測器上有兩臺離子推進(jìn)發(fā)動機，只有一臺工作了約31分鐘。1970年進(jìn)行了第二次試驗，仍然是汞離子推進(jìn)發(fā)動機，累計工作17900小時中重復(fù)啟動300次，經(jīng)受了住了考驗。

SERT-1

電推進(jìn)發(fā)動機第一次商業(yè)應(yīng)用是在1997年的“泛美5號”衛(wèi)星，在航天界引起了不小的轟動。

最著名的一次應(yīng)用是日本宇航局在2003年發(fā)射的“隼鳥號”探測器，裝載了四臺離子電推發(fā)動機，目標(biāo)是探測25143號小行星（絲川小行星），這是第一次小行星取樣返回計劃，盡管因為燃料泄漏導(dǎo)致在環(huán)太陽軌道上多繞了一圈才回到地球，但成功的從絲川小行星上帶回了物質(zhì)（大約數(shù)千粒絲川小行星塵埃）。

同時探測兩顆小行星的探測器是2007年9月27日發(fā)射的NASA黎明號小行星探測器，也是第一個探測小行星帶的探測器，它在灶神星探測14個月后全身而退前往谷神星，靠的就是離子推進(jìn)發(fā)動機的超長加速能力。

黎明號的發(fā)動機開機加速軌跡

2009年歐空局的繪制地球重力場和海洋環(huán)流的“高斯”衛(wèi)星，因重力場必須要求低軌，如果沒有電推發(fā)動機，它不可能在250千米的軌道上工作2年。

不知道各位有沒有發(fā)現(xiàn)，高斯衛(wèi)星非常流線型，這是考慮了大氣阻力效果的氣動外形，可見它的軌道是低到多夸張。

2013年我國第一次在實踐九號A衛(wèi)星上使用了離子推進(jìn)系統(tǒng)，根據(jù)這個名字我們知道是靜電推進(jìn)式離子發(fā)動機。

限于篇幅不對各國電推進(jìn)發(fā)動機做一一介紹了，不過就當(dāng)前而言，電推發(fā)動機研制走在前列的是美國、德國、日本、中國、俄羅斯等，是不是少了英國和法國？其實這也正常，五常并不是所有時候都能湊齊的。

未來的大氣層內(nèi)展望

離子發(fā)動機從上世紀(jì)五十年代開始到現(xiàn)在，從最早的汞離子到現(xiàn)在氙離子霍爾推進(jìn)，但它們并不能在大氣層內(nèi)應(yīng)用，假如未來要應(yīng)用的話必須要實現(xiàn)以空氣為介質(zhì)的離子電推發(fā)動機。這才能實現(xiàn)《普羅米修斯》中普羅米修斯號穿越異形星球的大氣層，在地面降落的壯觀場面。

2018年11月21日的《自然》雜志上發(fā)布一則簡短的新聞，在大氣層中工作的“離子發(fā)動機”推進(jìn)下的模型飛機在飛行了50米的距離，飛行試驗總共進(jìn)行了10次，每次都飛行都非常穩(wěn)定。

當(dāng)然明白人都知道這是“離子風(fēng)”發(fā)動機，距離傳說中真正的大氣層內(nèi)離子發(fā)動機還遠(yuǎn)著呢。

當(dāng)然無論是空間電推還是大氣層內(nèi)的離子發(fā)動機去得突破性進(jìn)展，對于人類來說都是福音，前者是人類深空載人探測的敲門磚，而后者則可以將人類從化石燃料時代過渡到電能時代，這很重要，因為電能比化石燃料取得更為容易。

核電推進(jìn)系統(tǒng)能不能用在飛機上?

未來趨勢，你想的挺遠(yuǎn)。這有很多難題要解決。

體積問題。安全問題都有考慮。

關(guān)于《電推進(jìn)飛機的能源》的介紹到此就結(jié)束了。