【等離子火箭發動機】
西伯利亞物理學家證實製造等離子發動機的可能性
2018年12月28日13:30俄羅斯科學院西伯利亞分院核子物理研究所副所長亞歷山大•伊萬諾夫週四向記者表示，用最新的線性核系統中熱核等離子體抑制裝置做的初步實驗證實了製造等離子火箭發動機的可能性。
核子物理研究所於去年年底啟動了獨特的科研裝置，讓俄羅斯距離製造熱核反應堆又近了一步。螺旋開放式磁陷阱裝置是一個等離子體陷阱，有助於檢驗有關更好地抑制線性磁系統中熱核等離子體的全新構想。該裝置用於解決為航太飛行製造發動機原型機等問題。俄羅斯動力機械科研生產聯合體（Energomash）10月份宣佈，計畫製造大功率無電極等離子火箭發動機模型和測試它的平臺，這種發動機在太陽系內可以良好運轉。
伊萬諾夫稱："裝置已開始運行，但由於使用了臨時零部件，所以運行受到一定的限制。初步實驗表明，效果還是有的。而且航太引擎可以運轉，也可以製造出減少等離子體流失的設備。"
伊萬諾夫指出，目前已安裝好常規設備，因此專家準備在2019年1月開始使用上述裝置開展新的實驗，這些實驗將充分展現裝置的可能性。
他說："這個裝置是一個演示器，一個原型機。其內部的等離氣體溫度為10萬度，密度相當大。這對中子源來說遠遠不夠，但正是發動機所需要的程度。"
伊萬諾夫解釋稱，所提出的發動機運行原理是基於一種加速等離子體流動的新方法，該方法與等離子體在其中轉動的磁場的特別排列有關。
由於轉動方向不同，等離子體或停滯或加速，從而產生推力。
等離子發動機是電推進系統的一種，並已經在國內外應用相當成熟，其應用的主要介質就是等離子體。
它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅動航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。
在科幻小說中，飛行器總能為星際旅行的全程提供動力。但在現實中，火箭推進器的發動機技術，根本無法實現這一點。
相對於裸露在外的推進劑儲箱，化學火箭的發動機看上去很小，但它的胃口很大。“吃得多，幹活的效率卻不高。”張福林說。這種發動機吞噬掉的海量能源，只在提供短期動力方面有效——儲存的燃料很快用完，推進器馬上被當成垃圾扔掉。化學火箭的大部分燃料被用來擺脫地球引力，剩餘的一點則被用來推動火箭的“太空滑行”。火箭飛往目的地，僅僅是依靠慣性。對於星際飛行來說，這種引擎顯然力不從心。
“土星5號”就是典型代表。它的第一級裝有2075噸液氧煤油推進劑。一旦發動機點火，它可以在2分34秒內全部“喝”完這些“飲料”。高溫氣體以2900米/秒的速度噴射，卻僅僅夠將47噸的有效載荷送上月球。在全部能夠產生的3500噸推力中，很大一部分被用來“拖”起火箭自身和2000多噸燃料。所以它的“比衝量”並不高，只有300多秒，表明了它的推進效率的低下。這就是為什麼要將一個品質很小的人送上太空，卻必須使用一枚巨大火箭的原因。
等離子發動機，或者俗稱的“離子推進器”採取了一種和化學火箭完全不同的設計思路。它使用洛倫茲力讓帶電原子或離子加速通過磁場，來反向驅動航天器，和粒子加速器與軌道炮都是同樣的原理。“等離子火箭在一定時間內提供的推力相對較少，然後一旦進入太空，它們就會像有順風助陣的帆船，逐漸加速飛行，直至速度超過化學火箭。”張福林說。
實際上，迄今已有多個太空探測任務採用等離子發動機，如美國宇航局探測小行星的“黎明號”（Dawn）探測器和日本探測彗星的“隼鳥號”（Hayabusa）探測器，而歐洲空間局撞擊月球的SMART-1探測器的目的之一，就是驗證如何利用離子推進技術把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。
這些已經實用的離子發動機都很迷你，多屬於輔助發動機，推力和加速度都很小，要使航天器達到預定的飛行速度，用時極長—SMART-1的等離子體發動機提供的加速度只有0.2毫米/秒方，推力只相當於一張紙對於手掌的壓力。這樣的發動機，帶上一隻螞蟻都無法脫離地球的重力場。
但它們在太空中的表現能夠彌補這個缺陷。優越的比衝量，也就是能用更少的燃料提供更多的動力，使它最終能把傳統的化學火箭遠遠拋在身後。“1998年發射的深空1號（Deep Space 1），由德爾塔火箭送上太空，然後由離子發動機推動。它的離子發動機產生0.09牛頓的推力，比衝量相當於液體火箭的10倍。每天消耗100克氙推進劑，在發動機全速運轉的情況下，每過一天時速就增加25~32米。它最終的工作時間超過14000小時，超過了此前所有傳統火箭發動機工作時間的總和。”張福林介紹道。
正是這一原因，使等離子發動機成為航太界新的寵兒。等離子發動機中的新秀VASIMR被美國航空航太研究所（AIAA）列為2009年十大航太新興項目。NASA的新任掌門人查理斯·博爾登（Charles Bolden）也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供經費，希望他們能夠完成自己的承諾——讓VASIMR在2012年或2013年能夠安裝到國際空間站上進行點火測試。
主要工作機理是:在發動機的陽極和陰極間施加軸向的電場，由帶電線圈產生徑向方向的磁場，電子被磁場束縛，做周向的hall漂移，與通道內的中性原子碰撞，產生離子，離子被電場加速高速噴出從而產生推力。由於離子的品質與電子的品質相比較大，離子的運動幾乎不受磁場的影響。
航太的系統分為化學推進和電推進兩種系統，中國幾乎都是使用的化學推進系統。但是電推進比化學推進有以下的優點：
1、電推進不受化學推進劑可釋放化學能大小的限制。經驗表明一般化學推進劑的能量為70MJ/kg。電推進不受這些限制，它理論上可以達到任何能量。
2、電推進的比沖比化學推進的比沖高很多
由於電推進比化學推進的比沖大得多，所以它所需的推進劑將會少的多，從而增加衛星的有效載荷，提高衛星性能和效益。但是電推進也有它的缺點，比如它僅能應用於小推力系統。低推力、高比沖的性質使得電推進的主要應用為:位置保持、重定位和姿態控制。對一些在軌推進的任務，電推進有明顯的優勢。它可以獲得比化學推進更準確的姿態和化學控制。對一些重定位的任務，重定位的速度會更快並且能量消耗也更少。
30年前，在哥斯大黎加出生，有1/4華人血統的張福林（Franklin R. Chang Diaz）還在麻省理工大學攻讀等離子物理學博士學位時就這麼認為。到了2009年6月，作為前太空人兼物理學家，Ad Astra火箭公司創始人、首席設計師，張福林帶領著團隊成功測試了VASIMR的第一節引擎後，對這一觀點更加堅定。
VASIMR，全功率可變比沖的磁等離子體火箭（Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket），儘管離最終完善仍有距離，但已經在航太界中引起了巨大反響。
因為，當它真正誕生，登陸火星的時間將會從250天縮短為39天。
石墨烯在光作用下的運動現象，這一發現可作為新的太空動力來源,碳世紀發現了這項重大應用發現，並成功研製了該項裝置，充分展示了石墨烯材料火箭的光推動作用，使電推動不再受化學試劑的限制。
電弧加熱等離子發動機主要由陰極、陽極、電源和工質等組成,結構相對簡單。
電弧加熱等離子發動機的工作原理是利用兩電極之間放電形成的高溫電弧加熱氣體,氣體進入陽極噴嘴壓縮段後被電弧加熱到10000K上的高溫後發生電離,進入陽極噴管擴張段,膨脹加速達到超音速,最終髙速噴出時產生反推為。電弧加熱等離子發動機加熱過程主要集中在發動機弧室內部進行,這就突破了電阻加熱推進裝置對壁面濕度的限制,電弧中必溫度高達10000的數量級,而發動機壁面的溫度一般低於2000K。
電弧加熱等離子發動機是極具發展潛力的電推進之一。在所有的電推進技術中,電弧加熱等離子發動機的推力/功率比是最高的;儘管在與電磁式、靜電式推進裝置相比,電弧加熱等離子發動機比沖要低,但是其進一步提升空間大;同時電弧加熱等離子發動機結構簡單,運行電壓低,壽命長,使其在未來的電推進市場將佔有一席之地。
脈衝等離子推力器具有機械結構簡單和魯棒性能好的優點，但其缺點是發動機推力非常小和推力功率比低，限制了其應用。為了增強脈衝等離子推力器的推力性能，目前國外開始利用化學推進劑提高等離子推力器推力的探索研究。
固體火箭發動機與等離子體發動機技術的結合將是一個新的有價值的研究領域，利用固體推進劑作為未來等離子體發動機的新型工質和能量來源，國外在利用固體推進劑取代用於等離子推力器中的惰性材料來提高發動機推力方面的研究已起步，並得到了提高推力及推力功率比的試驗證據; 利用等離子推力器技術提高固體火箭發動機比沖，利用等離子發動機的相關技術通過電場電離和加速固體推進劑的燃燒( 分解) 產物，形成等離子體流來提高固體火箭發動機的比沖。
建造VASIMR就是張福林在20世紀70年代提出的主意。它能同時具有化學火箭發動機和離子發動機的能力。傳統化學火箭發動機擁有高推力、低比沖，離子發動機則是低推力、高比沖。而VASIMR，它能在高推力、低比沖和低推力、高比沖之間的自由轉換，在這兩者之間調整參數，所以被稱作“可變比沖”。
張福林一直致力於該專案研究，但之後的20多年裏他忙於作為宇航員7次進入太空。直到2005年，他從NASA退役組建了Ad Astra火箭公司，試驗場就在他的出生地哥斯大黎加附近的航空中心。
突破性成果在2008年到來，這就是VX-200等離子引擎測試台，它利用氬氣作為推進劑的第一階段達到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了傳統的等離子發動機：比沖在3000~30000秒之間隨意轉換，也就是噴射等離子的速度在30~300千米/秒，能量轉換效率高達67%。張福林說：“用它飛到火星只需39天，這樣能節省大量的燃料、食物、水、空氣，宇航員也能擺脫長時間的宇宙射線輻射。”
VX-200分為三部分：在前部單元裏，首先是把噴出的氣體電離生成等離子體，類似於在蒸汽機裏燒開水，這是以一種螺旋波射頻天線（helicon RF antennas）來實現；中部單元充當放大器，它用電磁波的能量進一步把等離子體加熱到幾百萬度；而尾部單元的磁性噴嘴可將等離子體的能量轉化為噴氣口的速度，從而產生反向的推力。
張福林解釋說，VX-200使用了新的演算法來控制和穩定等離子體，主要是控制超導磁場。通常來說，火箭發射時噴射氣體溫度越高，比衝量就越高。為最大限度利用效能，VASIMR火箭中部單元的溫度相當於太陽中心的溫度。但是火箭發動機的噴射嘴所能承受的溫度有限。噴嘴溫度太高，用什麼材料是一個問題。和核聚變裝置一樣，解決的辦法是使用磁場。在強磁場，比如超導磁體產生的磁場下，等離子體會以固定頻率旋轉。發動機的中部單元在磁場控制下讓其按自然頻率繞磁場旋轉，當溫度迅速上升之後，再從尾部單元把旋轉變成軸向運動並釋放出去。所有這些極端變化的環境都要求對磁場和電磁波精准的控制，這是新的控制演算法的功勞。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型機已經開始了試驗，它能實現從近地軌道到月球軌道的變軌。
核動力還是太陽能？
“VASIMR最終將是一個核電火箭發動機。”張福林認為，因為目前最好的動力來源就是核反應爐。等離子發動機需要超長的持續電力供應，用核裂變反應堆為VASIMR提供電力，能很輕鬆地將人們帶到火星，使用的燃料比化學火箭少很多，飛行時間也會少很多。這要求攜帶一個電力供應裝置。
但是VASIMR的主要買家NASA卻始終對它的動力源守口如瓶。他們所說的能源方式是使用一個巨大的太陽能電池板。但電池板的效率不夠高，如果想往週邊的深空繼續進發，或者運送更大的載重，就必須獲得更大的電能，至少應該達到以兆瓦計算的規模，而目前的VASIMR最多也就200千瓦。對太陽能電力系統進行改進以增加太陽能的利用效率，唯一可預期的方式是使用納米技術，但需要多久才能發展出能實用、可靠的技術呢？還沒有答案。唯一的選擇就是使用核電系統，
NASA的表態可能是考慮到安全問題，以及公眾的“談核色變”。“很明顯，核裂變只要設計正確，操作維護認真，是可以安全運行的。”VASIMR研究專案小組的負責人對使用核技術並不回避，他說：“VASIMR是在航天器升上太空之後才開始啟用，核反應爐在離開地球時處於惰性狀態，並且我們將它拆開後才向太空運送。因此任何單獨一部分都不會對地球造成威脅，惰性狀態下的鈾也沒什麼危險。”
技術已經能讓船載核電系統產生數百千瓦的電能，而且在不遠的將來能發展到兆瓦的級別。離子發動機的推力仍舊比不上傳統的火箭發動機那麼高，不適合做火箭的第一級發動機，很難將有效載荷從地球帶到近地軌道。但比衝量方面的優勢則很明顯，到了近地軌道，離子發動機的優勢才能顯現。張福林和他的團隊希望在測試中將動力升至200千瓦，這足夠提供大約0.45千克的推力。聽上去並不太多，但在太空中，0.45千克的推力可以驅動2噸重的貨物。
2012年，Ad Astra的VASIMR原型（使用太陽能發電，而不是核能）將被帶到國際空間站，一名宇航員將在太空行走中安裝這台200千瓦的發動機。如果一切順利，用5牛頓的推力，就能讓國際空間站實現變軌。試驗成功與否，將暗示著VASIMR能否為NASA畫出下一個十年計畫的美好前景—輕鬆將人員或貨物送上月球，或者火星。
伴隨著人類對太空探索的野心增長，傳統化學火箭發動機漸漸暴露出其局限性。為了滿足新太空專案對動力提出的越來越高的要求，工程師必須提供新的解決方案，把我們的探測器以更快的速度送到更遠的太空中，以及更精確的控制其位置與姿態。
火箭發動機的工作原理就是把推進劑噴射出去，形成推力。火箭的推進效率也就是比沖定義為：每一公斤燃料產生一公斤推力的持續時間，單位為秒。而比沖跟噴氣速度成線性相關。而推進劑的動能來自於以其他形式儲存的能量，可以是化學能，電能，核能，壓力勢能等等。
傳統的化學火箭發動機是利用推進劑的燃燒將儲存於推進劑中的化學能轉化為熱量，這部分能量在收斂擴張超音速噴管中又被轉化為動能。不同於飛機發動機，火箭發動機並不吸入空氣，將空氣中的氧氣作為燃燒所用的氧化劑，而是選擇自帶氧化劑。傳統的液體火箭燃料為煤油/液氧或者液氫/液氧。因為火箭自帶的燃料和氧化劑燃燒所能釋放的能量很有限，導致化學火箭發動機的噴氣速度很慢，也就是比沖很低。而且因為超音速流體力學的原因，如果想要將推進劑的能量全部轉化為動能，需要一個極寬而且極長的噴管，沒有任何工程學實踐意義。所以為了得到足夠的飛行速度，火箭需要攜帶大量的燃料，導致一枚火箭發射全重的絕大部分都是燃料，因此效率十分低下。例如太空梭發射時離地品質超過2000噸，但實際有效載荷只有一百多噸。
但是在太空中航行不同於在大氣層內航行，因為沒有空氣阻力，即使飛行速度較慢，但航天器仍然可以持續飛行，因此這個問題不是特別嚴重，化學火箭效率低但是也能完成工作。但在深空探測項目中，飛行距離都是以百萬公里記起步，提高飛行速度就變得很有吸引力了。例如火星登陸的任務，如果飛行速度太慢，在飛行途中需為宇航員配帶大量的食物和氧氣。如果可以實現更高的飛行速度，快去快回，便捷性將大大提高。
如果利用電磁場對帶電粒子直接加速，系統將不再受化學火箭發動機噴管幾何問題的限制，可以得到遠遠大於傳統化學火箭的噴口速度，也就是更高的比沖。舉個例子，阿麗亞娜5號的一級主火箭發動機火神2號的噴口速度為4230m/s，比沖為431秒。而NASA
Evolutionary Xenon Thruster (NEXT)以氙氣作為推進劑的離子噴射發動機噴口速度為40km/s，比沖達到了4300秒，是火神2的十倍！
其工作原理大致如下：先將推進劑電離，再利用電場將離子加速噴出形成推力，同時向射出去的離子束噴電子，讓它呈電中性，否則噴出去的離子將會被航天器吸引回來。第一台離子噴射發動機是由美國物理學家Harold R. Kaufman 1959年時在NASA製造，並成功測試。它先將電中性的汞注入電離室，同時將電子射入電離室，然後電離室周圍的電磁線圈將對射入的電子加速以轟擊中性的汞原子來製造汞離子，隨後汞離子在外加電場的作用下加速噴出，最終再使用電子使其中性化。但是現代離子推進器中使用的推進劑大多為氙氣，以代替原先有劇毒的汞。
之後基於Kaufman的設計又衍生出很多新的設計，例如歐洲Thales公司的HEMP（HIGH EFFICIENCY PLASMA THRUSTER高效等離子推進器）發動機，它利用電離室中交替的磁場與電場來電離並加速推進劑，取代了原先的加速格柵，氙氣的電離率從而被大幅提高，因此HEMP發動機的效率與Kaufman的設計相比有了大幅提高。以及霍爾效應推進器，它利用霍爾效應將中性器（在Kaufman設計中只用來向射出的離子束噴射電子來中性它）噴出的電子約束在環形電離室區域內處，這些電子在電磁場的作用下加速，撞擊並電離作為推進劑的氙氣，電離態的氙再被電場加速射出。
上述的兩種設計都避免了使用電極格柵來對離子進行加速，從而避免了高速離子對格柵的衝擊與腐蝕。這對於提高推進器壽命來說是非常有優勢的。
不同于傳統化學火箭發動機，這類發動機的推進劑不進行化學反應，所以需要額外的電能。這部分能量可以通過太陽能電池板獲得，但在進行深空探測項目的時候，由於航天器距離太陽非常遠，太陽能電池板的發電能力十分有限，為了得到足夠的電能需要非常大的電池板，這也擠佔了有效載荷，限制了航天器的其他各項能力。但是幸好還有一個相比電池板更優雅的解決方案——鈈元素衰變電池。它利用鈈238的衰變生成鈾234並釋放一個阿爾法粒子產生的熱量來發電，雖然效率極低只有3-5%，每一公斤的鈈元素只能提供30瓦左右的電能（就是瓦，不是千萬，真的是這麼低，不是我寫錯），但是它的半衰期為87.7年，因此可以長時間穩定的供給電能，不受外界影響，著名的好奇號火星探測器也將它作為電能來源。穩定的電能供給同時也意味著可以節約儲電系統的重量。但是鈈238是極其昂貴的，在美國其售價為1000萬美元每公斤，相比之下氙氣只需2800美元一公斤。有一點遺憾的是，出於安全原因，衰變電池在歐洲航太項目中的應用受到ESA歐航局很大的限制，其中一個例子就是羅塞塔號探測器擁有碩大無比的太陽能電池板，它於2004年3月2日發射，在2014年11月12日它搭載的菲萊登陸器成功地在67P/楚留莫夫—格拉希門克彗星上登陸，這是人類史上第一次控制探測器於彗星上登陸，它在2016年9月30日於彗星67P上墜落之前成功執行了很多其他探測任務。現在ESA也在評估，放鬆對衰變電池的限制。
離子推進器有諸多好處，但也有它的局限性，因為航天器的電功率有限，它的推力非常受限，只有幾十毫牛，大約就是一張紙的重量。如今它主要被應用在衛星的姿態控制動力系統，因為它的比沖非常高，如果用它來代替傳統化學火箭發動機完成衛星從GTO（地球同步轉移軌道）到GEO（地球同步軌道）的變軌，可以節約大量重量。例如一個3500公斤的衛星，可以節約3000公斤燃料重量，極大降低了發射成本。但是傳統化學火箭可以在幾個小時內完成霍曼軌道轉移，離子推進器需要三個多月，不同于霍曼軌道轉移只需兩次引擎推進，由於離子推進器的推力有限需要在地球同步軌道每次經過遠地點時啟動來提高近地點軌道高度。因為衛星極其昂貴，對於衛星運營商來說，這意味著這三個半月都不能盈利，延遲了正現金流，提高了融資成本。離子推進器和它所替代的上面層火箭發動機售價現在幾乎一樣，但是隨著離子推進器的進一步成熟，會在可預見的將來使用成本降到遠低於技術已經十分成熟的傳統化學上面層火箭發動機，歐洲現在有公司已經在研發極低成本離子推進器。
但是對於深空項目，它的優勢是無與倫比的，例如火星登陸任務，如果使用化學火箭完成，需要6個月的飛行時間，而離子推進器可以在39天內完成，節省了巨大的成本，使不可能變為可能。最後再講兩個離子推進器的優秀應用案例。2009年3月27日歐航局ESA發射了一個名為GOCE的衛星探測器來探測地球重力場和海洋環流。由於測量精度要求，它的飛行軌道低至250公里，在這個高度，空氣阻力並不能被忽視。為了克服空氣阻力，它裝備了一台離子推進器，不間斷工作了2年卻只消耗了40公斤氙。
2001年7月12日，阿麗亞娜5號在發射歐航局3100公斤的阿爾忒彌斯任務航天器時由於二級火箭發動機Aestus工作異常，衛星沒有達到GTO預定軌道，遠地點只有17487公里，是預定高度的一半。這時它搭載的RITA-10離子推進器力挽狂瀾，在7年中累計工作7500小時，消耗了14.2公斤的推進劑，最終使航天器到達了預定軌道。
除了作為航天器飛行主動力以外，它也是非常優秀的航天器姿態精確控制動力。由於離子推進器的控制系統主要採用電磁推進方式，其推力可控制性遠遠高於傳統化學火箭發動機。其中最有野心的應用計畫為將於2034年升空的LISA（Laser Interferometer Space
Antenna）鐳射干涉空間天線，其通過鐳射干涉來以極高精度測量信號相位，來實現遙遠宇宙中引力波源的探測。LISA由三個相同的航天器組成，它們形成一個互為60度的等邊三角形，和地球在同一日心軌道飛行並繞地球飛行，LISA每一個天線與地球的連線，和它與太陽的連線全程保持一個特定角度來減少地球引力對其測量結果產生的影響。儘管它的測量距離非常大，但它的測量精度可以達到一萬億分之一米，這就對航天器姿態精確控制提出了極高的要求。而其中最有可能應用的一種發動機為電子場致發射發動機（Field
Emission Electric Propulsion），其也為離子推進器的一種，不同於上述幾種設計原理，其推進劑為液態的金屬銫。它在一個高壓的電場下（通常為一萬伏），表面被激化為不穩定態，形成一個泰勒錐。從泰勒錐尖部射出的離子射流被電場加速到100公里每秒的速度，形成推力。由於推進劑射出速度極快，它可以達到1萬秒的比沖。而它可以實現0.1到150微牛的推力，也就是最低推力是千萬分之一牛，從而對航天器的飛行姿態以極高的精度進行控制。這些都是傳統化學火箭發動機望塵莫及的。
經過幾十年的發展，人們設計與製造離子推進器的水準有了長足的提高，在科研與商業領域都有越來越多的應用。它們降低了商業航太的成本，並使很多曾經被認為不可能的科研型航太專案具有了可行性。在可預見的未來，太空中將有越來越多它的身影。
電推進是利用電能加熱或電離推進劑加速噴射而產生推力的一種反作用力式的推力器（《空間電推進原理》 于達仁 著）。電推進的研製大概應該追溯到戈達德的時代，在1906年戈達德提出了利用電能加速帶電粒子產生推力的構想，在20世紀50年代左右電推進的工程研究才正式進入了正規。截止今日，國際上開展電推進研究走在前列的國家是美國、德國、日本、中國、俄羅斯。
主流的電推進形式分為三種——電熱式、靜電式、電磁式。顧名思義，電熱式主要是利用電弧加熱電離氣體，並且將其加速噴出。靜電式則是利用柵極提取陽離子，然後利用加速電場將其加速。電磁式的典型代表分為兩種——霍爾推進器（Hall Thruster）和 磁等離子體推進器（Magnetoplasmadynamic Thruster）。霍爾推進器是基於霍爾效應（就是高中物理學過的那個霍爾效應）產生正交場放電形成等離子體，然後利用靜電場對離子加速而利用磁場約束電子運動。而磁等離子體推進器則是利用脈衝放電的方法使得推進劑電離然後利用Lorentz力對其加速。
離子推力器根據放電形式的不同可以分成直流放電、電子轟擊、射頻放電、迴旋共振等幾種。目前比較火的離子推進器的工質是Xenon。放眼國際，據我所知，許多個實驗室都在離子推進器的Plasma Source上下功夫，目前主流的研究方向是迴旋共振的射頻放電。
在離子推進器的研究中，遙遙領先的。。。當然是美國了。畢竟就連電推進的概念都是戈達德提出來。如今在戈達德家鄉附近的WPI（Worcester Polytechnic Institute）的電推搞得就不錯。英國歷史上曾經研究過電子轟擊式的離子推進器，Sury University現在的研究進行的不錯。Southampton University也有幾個老師在做這方面。日本的JAXA在Kaufman式（電子直接轟擊）離子推進器和微波式離子推進器上也有涉獵。中國這方面領軍的是510所，北航和哈工大也都走在前列。
離子推進的原理是利用工質電離產生離子，在靜電場的作用下加速噴出產生推力。為了定量研究離子推進器引入了幾個重要的衡量指標，並且引入了波姆電流和有效透明度兩個重要的參數。在離子推進器之中我認為比較重要的部分是對於電離室（Discharge Chamber）內部的參數描述。
首先引入了理想電離室模型，這種模型的主要建模特點是：能量通過不同的方式注入充滿中性氣體的電離室之內以激發和電離工質，之後離子束被加速柵極引出，而相同數目的電子到達壁面，保持電量的守恆。
然而這種理想電離室模型之中沒有考慮離子運動以及能量輸運機制，因此引入廣義零維會切等離子體推力器模型：考慮了離子運動以及能量輸運機制。同時假定等離子體分佈是均勻的，這個假設除了在陰極羽流區不適用以外在其他的區域都有著良好的應用。
廣義零維會切等離子體推力器模型建模過程之中採用了動理學方程以及能量平衡方程，有效的求解了電離室內部的電子約束、離子約束，以及激發態中性氣體的產生和電離室內部中性粒子、原初電子的密度等，並解決了電離室內部功率以及能量平衡的問題，同時也涉及到了放電損失以及穩定性的問題，但是這種模型在存在著空心陰極時候會失去一些準確性，同時模型之中假設的單能的原初電子能量不能準確的類比二價離子的產生。同時不能反映離子推進器內部等離子體分佈非常不均勻的情況。
但是零維模型的計算仿真結果仍然不能完全在誤差範圍內模擬實驗，因此為了更加準確而引入了二維計算模型，這種模型沒有像零維模型之中所展現的那樣，將電離室之中的等離子氣體描述成為各項同性完全均勻的離子體。
在離子的引出以及加速的問題上，目前是利用柵極進行加速。要求柵極具有高的離子透明度以及低的中性氣體透明度，目前柵極結構比較主流的有雙柵極和三柵極兩種類型。為了準確的預測離子推力器的柵極加速下的離子的運行軌跡，引入了離子光學模型，通過計算離子密度以及求解泊松方程來預測。
在離子推進器之中電子返流也是比較重要的一個研究熱點，利用建立勢阱的方法可以有效地避免電子返流。
在離子推進器的壽命問題上，主要影響壽命的部件有離子光學系統的柵極、主陰極和中和器的陰極。加速柵極的腐蝕是離子推進器最主要的腐蝕機制，這種機制主要分為柵極孔腐蝕以及柵極下游電荷交換碰撞。
離子推力器的發展前景在高功率（電離室模擬）、高比沖（柵極材料 柵極間距）、長壽命（腐蝕機制 羽流效應）、多模式等幾個領域，在這幾個領域之中還存在著一些沒有解決的問題，值得我們深入地去探索。
