文|创瞰巴黎

导读

飞行器推进需要消耗大量的化学燃料，但是其成本高昂，在太空中难以大量补充。研究发现电离度较低的“冷等离子体”可以作为卫星的推进燃料！与传统推进相比，燃料喷射的速度更高，能大大节省燃料，更适合维持卫星运转。

一览：

• 电离度较低的“冷等离子体”可以作为卫星的推进燃料。
• 等离子推进的基本步骤是先将气体电离，产生正离子，对其加速，从而产生反方向的冲力。这种推进方式较节省燃料。
• 喷出的离子气流中还要放入一个阴极，用来中和正电荷，防止卫星因太多正电荷离开而积累负电荷。
• 巴黎综合理工大学等离子物理实验室的PEGASES课题组正在开发一种同时包含阴阳离子的等离子体，供飞行器交替加速、喷射。
• PEGASES课题组发现碘气是最适合等离子推进的气体，比曾经广泛使用的氙气性能更优。

等离子体最主要的实际应用，是微电子元件半导体的光刻。不过，巴黎综合理工大学讲师、等离子物理实验室研究主任Pascal Chabert带领的课题组通过理论分析、数字模拟和实验验证发现它还有另一个用途——电离度较低的“冷等离子体”可以作为卫星的推进燃料！

01 速度更快，耗燃料更少

据Pascal Chabert介绍：“我们发现光刻和卫星驱动有相似之处——都需要加速离子。光刻是让离子扩散到半导体上需要刻蚀的部位，而卫星驱动则是让离子在真空中扩散，以反作用力推动航行。等离子体被加速得越快，就越能节省燃料。

“等离子体被加速得越快，就越能节省燃料”。

等离子推进的基本步骤是先将气体电离，产生正离子，对其加速，从而产生反方向的冲力。喷出的离子气流中还要放入一个阴极，用来中和正电荷，防止卫星因太多正电荷离开而积累负电荷。Pascal Chabert 解释：“在半导体生产中，离子被加速后，电子到达基质表面，让基质带电，扰乱离子的运动路线，从而发生蚀刻显现出电路图形，过程中同样需要维持电中和。”

02“飞马项目”PEGASES

等离子物理实验室的学者们受等离子蚀刻原理启发，正在开发一种同时包含阴阳离子的等离子体，这样就能交替喷射两种离子，以克服等离子推进的电中和难题，不再需要阴极发射电子来中和阳离子。

等离子物理实验室开展的这项课题名称是PEGASES（Plasma Propulsion with Electronegative GASES，“利用电阴性气体的等离子推进”，缩写与古希腊神话中的飞马Pegasus谐音）。2007年，实验室成功制造出一台等离子推进器样机。Pascal Chabert 表示：“随着课题的深入，我们开始探究最适合作为推进气体的物质。这种物质必须便于电离出阴阳两种粒子。经过一番研究，我们发现碘单质气体是最合适的。”

03 IP Paris等离子物理实验室：等离子推进的领军科研机构

“起初，PEGASES项目没有在学界引起太多关注，但是这些年来我们创造了一些成绩，例如发现碘气体比曾经广为使用的氙气更适合等离子推进。此外，我们课题组的一名博士后Ane Aanesland于2017年创办了企业ThrustMe，主要业务就是为小型卫星提供碘基等离子推进系统。”

由于研发新型等离子推进物质所取得的成就，Pascal Chabert的实验室已成为碘基等离子推进的领军科研机构。此外，课题组成员Anne Bourdon与法国赛峰公司共同参与了法国国家科研署启动的一项工业技术项目，与企业共同研究数字模拟工具和霍尔效应等离子推进器，从而进一步提高了PEGASES项目的知名度。

“霍尔推进器的原理是电磁效应，先将气体电离，然后在电场中对其加速，只需要一个茶壶大小的设备就能实现”。

“霍尔推进器的原理是电磁效应，先将气体电离，然后在电场中对其加速，只需要一个茶壶大小的设备就能实现，功率从1kW到10kW不等。霍尔推进器产生的推力很小，只有mN级别，比吹一口气熄灭蜡烛的力还要小，但是对于在真空、无摩擦环境中的卫星，这样的力度调整校正轨道则是正正好。”

现在火箭使用的推进系统都基于化学燃料，一直到最近卫星也是如此。但等离子推进与传统推进相比，最大的优势就是燃料喷射的速度更高，能大大节省燃料。

04 化学燃料推进和等离子推进，有什么区别？

飞行器推进的基本的原理是加速一定量的物质，在与航行相反的方向排出，以此获得反作用力作为推进力。化学燃料火箭靠尾部短时间排出大量气体产生极大的推动力，摆脱地球引力上天。但化学推进系统所需燃料量可谓是天文数字，成本高昂，不适合长途星际航行，也不适合维持卫星运转。

霍尔推进器的喷射速度约为30–50 km/s，飞行器所需搭载的燃料量比相同条件下化学推进系统少十倍。由于推力太小，此类推进器不适合逃逸地球引力，但用于星际航行加速绰绰有余。