几千年来，面对着浩瀚苍穹、熠熠星辰，人类始终充满好奇。摆脱地球引力的羁绊，飞向太空，也是人类长久以来的梦想，但是直到20世纪初，科学指引的太空探索方案才被提出。

1903年，俄国人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（Konstantin Tsiolkovski，）撰写的《利用反作用力设施探索宇宙空间》，第一次从理论上论证了火箭的作用，并预言利用液氧和液氢做燃料的多级火箭可以达到脱离地球引力的速度。这本著作深刻影响了整个欧洲和美国的航天事业。之后，人类正是按照齐奥尔科夫斯基的设想，借助化学火箭，实现了发射卫星，甚至登陆月球的梦想。

然而，如果我们想去月球之外更遥远的深空旅行，看似强大的化学火箭却有些力不从心了。火箭发动机的爆发力强劲，但从效率上讲却是非常低的，需要消耗大量助燃氧化剂和燃料。例如，1967年发射的土星5号，起飞重量达3408吨，最后送上月球的部分却只有45吨，剩下的质量几乎都用来装燃料了。由于太空中补充燃料是个难题，动力系统的局限确实阻碍了人类进一步探索太空的脚步。

同样是在20世纪初，俄罗斯的齐奥尔科夫斯基和美国（液体）火箭之父罗伯特·戈达德（Robert Hutchings Goddard，）分别提出空间电推进的概念。基于这一设想，美国和前苏联独立开发出了不依赖化学燃烧，而是靠电力运行的技术，并逐渐将其投入实际使用。

康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（左）与罗伯特·戈达德（右），图片来源：wikipedia/fineart

离子推进器，又称离子发动机，可以向外高速喷射等离子体，进而形成推力。尽管其柔和且充满神秘感的尾焰颇有些科幻电影中星际飞船的意象，但实际上目前大多数离子发动机产生的推力还不到1牛顿，只相当于举起一个鸡蛋的力气。

航天器进入太空后，受到的引力和空气阻力都非常微弱，所以即使再小的推力，只要持之以恒的加速，也能产生十分可观的效果。另一方面，推力小更有利于精准调控，特别适用于那些精度要求高的卫星和空间站。因此，离子推进器的核心优势在于喷射速度高，消耗量小，这恰好弥补了化学火箭爆发力强却后劲不足的缺陷。

化学火箭与离子推进器的性能比较，左为“土星5号”运载火箭，右为使用离子推进器的“深空一号”航天器

2021年4月，中国空间站天和核心舱成功发射入轨，在核心舱的尾部就配置了四台离子推进器中性能优异、技术先进的霍尔推进器。它可以帮助空间站规避危险，调整姿态。霍尔推进器的动力来源于电能，而空间站可以依靠太阳能电池板不断获取电力，相比于化学推进装置，每年可以节省几十吨靠飞船往返天地之间运输的燃料。

中国空间站天和核心舱，尾部配置了离子推进器（黄色框）。图片来源：/watch?v=llU9wAxNF2Y&t=659s

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原标题：离子发动机和它的“大块头”元素推进剂

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