原创 Jevon 汽航岛 2020-02-23
导读 微信公众号ID:spaceinto
话说这颗供人类栖息的地球，能否永恒的悬浮在太阳系内永保经久不衰？以观测宇宙恒星与行星的演变规律行径，结局不会如我们所愿。生命之所以能够延续，离不开平台的寄养。没了地球，彼此也就是一粒尘埃。
随着天文观测科学的建立与完善，以及地质科学家的新发现，地球上拥有过的生物，并非只有目前的。根据大量科研数据资料显示证明，地球生物圈以纪元为单位，发生过无数次的大演变与灭绝。曾经统治地球的生物，早已不复存在。而今天的人类，恐也难回避这一规律。
▲恐龙遭遇的场景（图片来源网络）
面对现实的未来，要想延续生命的火种，正如科幻作品《流浪地球》所演绎的那样整体搬家。但以物理学的严谨态度，把整个地球搬移到另外一个星系是不可能实现。以现有的知识蕴含量为基础，只能舍远求近，选择逃离地球，前往周边近距离行星的愿景，才有望在不远的将来实现。
鉴于地球和宇宙的环境区别，人类离开地球需要分三步走。第一步，使用化学燃料为推进的飞行器，将人造宇宙飞船输送到近地轨道；第二步，关闭化学燃料动力系统，启动适应宇宙空间环境的推进系统；第三步，经过漫长的星际航行，降落星球的技术。
▲第一代航天推动系统，（图片来源网络）
化学燃料推进方式，作为第一代航天动力系统，只能为近地空间服务。随着深空探测计划的实施，他原有的设计与功能参数，已不再满足新条件的需求。为了能够实现快速且安全的飞往月球和火星，目前阶段，科学家把主要希望寄托于离子推进系统。
① 离子推进系统
离子推进系统与第一代航天动力系统的不同，在于不需要燃烧大量化学燃料。它通过氙和氪等稳定气体电离，利用太阳能电池的电力将电子从气体原子中剥离出来，产生一股带正电荷的离子流，即所谓的等离子体。宇宙飞船将这些等离子体的废气推出，推动自己穿过失重的虚空。这种推进器被称为等离子推进器，或电力推进引擎（NEXT）。
▲离子引擎结构 (图片来源:NASA)
目前，运转在地球预定轨道上面的导航、通信和军用的卫星都携带了离子引擎，方便在必要的时候，进行微小的航向修正，以及保持稳定的轨道。然而，要想实现星际宇航，安装在卫星上面的离子引擎，还不够大推力比。
② 离子器的类型
为了能够让离子推进系统，安装在宇宙飞船上实现高速的航行，科学家根据其加速的需求，建立了三大类型的研究方向。
其一、电热发动机利用电力来加热推进剂，或者通过加热元件(一种称为电阻喷射器的结构)来传递电流，或者通过热电离气体或等离子体本身(一种电弧喷射器)来传递电流。
▲变比冲磁致离子浆火箭 (图片来源:NASA)
其二、电磁发动机通过将推进剂转变成导电等离子体来电离推进剂，通过高电流和磁场的相互作用来加速。这种技术被称为脉冲等离子体推进器，实际上与电动机的工作原理非常相似。
其三、静电发动机利用高压作用于两个有许多小孔的栅极所产生的电场来加速推进剂，这种栅极离子发动机称为“黎明”号发动机。另一种静电设计是霍尔效应推力器，它以类似的方式工作，但不是高压电网，而是通过在磁场中捕获电子，在推力器的出口平面产生电场。
▲离子引擎“黎明”号卫星（图片来源：NASA）
③ 研究的进展
美国NASA的NEXT离子推进系统，已拥有15年的未间停的运转实验，累计高达13.5万个小时，消耗了高达几千公斤的氙推进剂。经过实验发现，他在宇宙中的航行成本仅为第一代航天动力系统的十分之一，在太空速度能够达到约每秒20~40公里。新型版本预计在2022年前后，具备列装在更遥远探测任务卫星的条件。
▲离子引擎实验画面（图片来源：NASA）
为了能够针对该推进系统的排气速度的进行深入研究，科学家正在创建新的计算机模型，希望通过探索等离子体如何达到更快更强的排气速度来进一步改进等离子体推进器，为下阶段飞出太阳系做准备。
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