文|創(chuàng)瞰巴黎

導(dǎo)讀

飛行器推進(jìn)需要消耗大量的化學(xué)燃料，但是其成本高昂，在太空中難以大量補(bǔ)充。研究發(fā)現(xiàn)電離度較低的“冷等離子體”可以作為衛(wèi)星的推進(jìn)燃料！與傳統(tǒng)推進(jìn)相比，燃料噴射的速度更高，能大大節(jié)省燃料，更適合維持衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)。

一覽：

• 電離度較低的“冷等離子體”可以作為衛(wèi)星的推進(jìn)燃料。
• 等離子推進(jìn)的基本步驟是先將氣體電離，產(chǎn)生正離子，對(duì)其加速，從而產(chǎn)生反方向的沖力。這種推進(jìn)方式較節(jié)省燃料。
• 噴出的離子氣流中還要放入一個(gè)陰極，用來中和正電荷，防止衛(wèi)星因太多正電荷離開而積累負(fù)電荷。
• 巴黎綜合理工大學(xué)等離子物理實(shí)驗(yàn)室的PEGASES課題組正在開發(fā)一種同時(shí)包含陰陽離子的等離子體，供飛行器交替加速、噴射。
• PEGASES課題組發(fā)現(xiàn)碘氣是最適合等離子推進(jìn)的氣體，比曾經(jīng)廣泛使用的氙氣性能更優(yōu)。

等離子體最主要的實(shí)際應(yīng)用，是微電子元件半導(dǎo)體的光刻。不過，巴黎綜合理工大學(xué)講師、等離子物理實(shí)驗(yàn)室研究主任Pascal Chabert帶領(lǐng)的課題組通過理論分析、數(shù)字模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)它還有另一個(gè)用途——電離度較低的“冷等離子體”可以作為衛(wèi)星的推進(jìn)燃料！

01 速度更快，耗燃料更少

據(jù)Pascal Chabert介紹：“我們發(fā)現(xiàn)光刻和衛(wèi)星驅(qū)動(dòng)有相似之處——都需要加速離子。光刻是讓離子擴(kuò)散到半導(dǎo)體上需要刻蝕的部位，而衛(wèi)星驅(qū)動(dòng)則是讓離子在真空中擴(kuò)散，以反作用力推動(dòng)航行。等離子體被加速得越快，就越能節(jié)省燃料。

“等離子體被加速得越快，就越能節(jié)省燃料”。

等離子推進(jìn)的基本步驟是先將氣體電離，產(chǎn)生正離子，對(duì)其加速，從而產(chǎn)生反方向的沖力。噴出的離子氣流中還要放入一個(gè)陰極，用來中和正電荷，防止衛(wèi)星因太多正電荷離開而積累負(fù)電荷。Pascal Chabert 解釋：“在半導(dǎo)體生產(chǎn)中，離子被加速后，電子到達(dá)基質(zhì)表面，讓基質(zhì)帶電，擾亂離子的運(yùn)動(dòng)路線，從而發(fā)生蝕刻顯現(xiàn)出電路圖形，過程中同樣需要維持電中和?！?/p>

02“飛馬項(xiàng)目”PEGASES

等離子物理實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者們受等離子蝕刻原理啟發(fā)，正在開發(fā)一種同時(shí)包含陰陽離子的等離子體，這樣就能交替噴射兩種離子，以克服等離子推進(jìn)的電中和難題，不再需要陰極發(fā)射電子來中和陽離子。

等離子物理實(shí)驗(yàn)室開展的這項(xiàng)課題名稱是PEGASES（Plasma Propulsion with Electronegative GASES，“利用電陰性氣體的等離子推進(jìn)”，縮寫與古希臘神話中的飛馬Pegasus諧音）。2007年，實(shí)驗(yàn)室成功制造出一臺(tái)等離子推進(jìn)器樣機(jī)。Pascal Chabert 表示：“隨著課題的深入，我們開始探究最適合作為推進(jìn)氣體的物質(zhì)。這種物質(zhì)必須便于電離出陰陽兩種粒子。經(jīng)過一番研究，我們發(fā)現(xiàn)碘單質(zhì)氣體是最合適的。”

03 IP Paris等離子物理實(shí)驗(yàn)室：等離子推進(jìn)的領(lǐng)軍科研機(jī)構(gòu)

“起初，PEGASES項(xiàng)目沒有在學(xué)界引起太多關(guān)注，但是這些年來我們創(chuàng)造了一些成績(jī)，例如發(fā)現(xiàn)碘氣體比曾經(jīng)廣為使用的氙氣更適合等離子推進(jìn)。此外，我們課題組的一名博士后Ane Aanesland于2017年創(chuàng)辦了企業(yè)ThrustMe，主要業(yè)務(wù)就是為小型衛(wèi)星提供碘基等離子推進(jìn)系統(tǒng)?！?/p>

由于研發(fā)新型等離子推進(jìn)物質(zhì)所取得的成就，Pascal Chabert的實(shí)驗(yàn)室已成為碘基等離子推進(jìn)的領(lǐng)軍科研機(jī)構(gòu)。此外，課題組成員Anne Bourdon與法國賽峰公司共同參與了法國國家科研署啟動(dòng)的一項(xiàng)工業(yè)技術(shù)項(xiàng)目，與企業(yè)共同研究數(shù)字模擬工具和霍爾效應(yīng)等離子推進(jìn)器，從而進(jìn)一步提高了PEGASES項(xiàng)目的知名度。

“霍爾推進(jìn)器的原理是電磁效應(yīng)，先將氣體電離，然后在電場(chǎng)中對(duì)其加速，只需要一個(gè)茶壺大小的設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)”。

“霍爾推進(jìn)器的原理是電磁效應(yīng)，先將氣體電離，然后在電場(chǎng)中對(duì)其加速，只需要一個(gè)茶壺大小的設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)，功率從1kW到10kW不等。霍爾推進(jìn)器產(chǎn)生的推力很小，只有mN級(jí)別，比吹一口氣熄滅蠟燭的力還要小，但是對(duì)于在真空、無摩擦環(huán)境中的衛(wèi)星，這樣的力度調(diào)整校正軌道則是正正好?！?/p>

現(xiàn)在火箭使用的推進(jìn)系統(tǒng)都基于化學(xué)燃料，一直到最近衛(wèi)星也是如此。但等離子推進(jìn)與傳統(tǒng)推進(jìn)相比，最大的優(yōu)勢(shì)就是燃料噴射的速度更高，能大大節(jié)省燃料。

04 化學(xué)燃料推進(jìn)和等離子推進(jìn)，有什么區(qū)別？

飛行器推進(jìn)的基本的原理是加速一定量的物質(zhì)，在與航行相反的方向排出，以此獲得反作用力作為推進(jìn)力。化學(xué)燃料火箭靠尾部短時(shí)間排出大量氣體產(chǎn)生極大的推動(dòng)力，擺脫地球引力上天。但化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)所需燃料量可謂是天文數(shù)字，成本高昂，不適合長(zhǎng)途星際航行，也不適合維持衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)。

霍爾推進(jìn)器的噴射速度約為30–50 km/s，飛行器所需搭載的燃料量比相同條件下化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)少十倍。由于推力太小，此類推進(jìn)器不適合逃逸地球引力，但用于星際航行加速綽綽有余。