[資訊] 離子引擎(太空船)

原理

離子引擎系統（Ion Propulsion System），又稱為太陽能電力推進系統（Solar Electronic Propulsion），離子引擎動作的原理說明如下（http://nmp.jpl.nasa.gov/ds1/tech/index.html，http://www.grc.nasa.gov/WWW/PAO/pressrel/98_60.htm）：

離子引擎系統運用太陽能電池，將光能轉化成電力，使用兩個中空的陰極管裝置來聚集電子，引擎周圍覆有磁極，在引擎內部形成磁場，電子經由陰極管進入具有磁場的空間，就像電視與電腦螢幕內的陰極射線管。接著燃料供應器輸入一定數量的氙，在引擎前部的陰極管便開始射出電子，以電子撞擊氙原子的方式，使氙原子的電子因為撞擊所產生能量而脫離原有的分子軌道，使得氙原子離子化，產生Xe⁺ ，在引擎內部形成電漿（plasma）的環境，在引擎室的後部設置有成對的金屬柵極，使兩個柵極之間的電位差為1280伏特，這個靜電場對氙離子產生作用力，使氙離子開始加速，在一個短的距離內以每小時10萬公里的速度通過此電場，產生離子束，經由引擎後方由鉬元素所製作的火箭推進器排出並進入太空，以反作用的原理使得運輸載體往前推進；另一個在引擎外部的電子射出陰極管則射出電子，負責離子束與載體的中和作用。離子引擎所使用的燃料是氙氣，其化學特性為無色、無臭、無味的氣體，重量約為空氣的4.5倍重，當離子引擎動作時，氙原子離子化，然後給予高電壓，最後再還原成氙原子。

圖4  離子引擎動作原理圖

資料來源：http://www.grc.nasa.gov/WWW/PAO/html/ipsworks.htm#deltav   

http://www.ite.ntnu.edu.tw/oldindex/journal/html/3601/new1.htm 

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離子火箭的概念，其實只是簡單的物理現象：慣性作用。當我們將氣體電離，會得到帶正電的氣體離子及帶負電的電子。當氣體離子通過電場或是成團被侷限在引擎後方，進而從引擎後方離開時，慣性作用就會將火箭往前推進。由於太空接近真空，離子引擎噴出這些推進氣體的速度將遠大於依靠化學作用的火箭，其效能甚至可達十倍以上，也使許多人認為離子火箭的應用將有助於提升星際旅行的可行性。然而離子火箭的推力相當薄弱，太空人根本無法利用這樣的火箭將太空船推離行星表面，而且需要一段很長的距離來加速，才能達到一定的速度。因此唯有在太空中，而且不需要瞬間加速的情況下，離子火箭才能發揮它的作用。例如在太空中要精準的將太空船結合或對準某個目標，就很適合運用離子火箭。

 

自從1972年NASA結束了阿波羅登月計畫之後，三十年來世界各國進行了各式各樣的太空計畫，卻少有太空任務再注意我們唯一的天然衛星，既使科學家對她的來歷 ，以及她對地球生命出現與演化方面的影響等等，仍不清楚。如今，ESA（歐洲太空總署）的第一艘月球探測船SMART-1，即將於2003年9月28日發射，希望能針對這些謎團，提供更有力的線索。

歐洲的SMART 1月球探測器就是用這種方法，先用傳統火箭把探測器送上繞地軌道，再用離子引擎的推力不斷提高軌道，最後到達繞月軌道，花了大約13個月，使用離子引擎的話燃料使用效率可以提高相當高，SMART 1只用了60公斤燃料，以前的阿波羅計畫的話就要以噸來當單位了。而且能量可以由太陽能供給，傳統的行星際太空船都是一但脫離助推火箭之後就不再浪費大量燃料加速，上面的燃料只是用來控制軌道用的，不是用來加速的，假如用離子引擎，只需要攜帶十分之ㄧ的燃料就可以達成原來的目的。甚至可以一直加速到達目的地，對星際探索時間的縮短很有幫助。


SMART-1是ESA在工業技術方面進行學術研究的一系列小型太空任務（Small Missions for Advanced Research in Technology）中的第一艘太空船。它的主要任務，是測試『太陽能發電推進技術』（solar-electric propulsion technology），也就是將太陽能轉換成電力，再將氣體電離分解，利用離子來推動火箭前進這項技術的實用性。其次，是利用船上的X射線與紅外光探測儀器，描繪月球表面的3-D影像。另外它也計畫要探測月球背面的南極區域，並確認水冰的存在與否等多項任務。

離子火箭是種介於科幻小說與科技現實兩種極端現象中的科技技術，由離子引擎所推動，而離子引擎的概念，至少可回溯至1959年。1964年，就已有兩個離子引擎被美國的SERT 1人造衛星所測試，結果一個成功，一個失敗。離子火箭的概念，其實只是簡單的物理現象：慣性作用。當我們將氣體電離，會得到帶正電的氣體離子及帶負電的電子。當氣體離子通過電場或是成團被侷限在引擎後方，進而從引擎後方離開時，慣性作用就會將火箭往前推進。由於太空接近真空，離子引擎噴出這些推進氣體的速度將遠大於依靠化學作用的火箭，其效能甚至可達十倍以上，也使許多人認為離子火箭的應用將有助於提升星際旅行的可行性。然而離子火箭的推力相當薄弱，太空人根本無法利用這樣的火箭將太空船推離行星表面，而且需要一段很長的距離來加速，才能達到一定的速度。因此唯有在太空中，而且不需要瞬間加速的情況下，離子火箭才能發揮它的作用。例如在太空中要精準的將太空船結合或對準某個目標，就很適合運用離子火箭。

此外，離子火箭發展的潛力，在於『太陽能發電推進技術』。由於離子火箭中的離子是由電子槍所加速，能量愈強，速度愈快，離子火箭的推進力也愈大。電子槍的能量如果來自太陽能板，雖然能量比較小，大概只有幾千瓦，卻可以持續不斷的運作幾個月，甚至是好幾年，只要還照得到陽光，同時擁有足夠的氣體。因此利用『太陽能發電推進技術』所得到的瞬間推力雖然遠不如化學火箭，卻是長途旅行的最佳選擇。

第一艘主要利用離子火箭作為推進器的太空船是1998及2001年NASA的深太空一號（Deep Space 1），而SMART-1雖然是第二艘，卻是第一個利用這樣的技術來接近天體的太空船。如果『太陽能發電推進技術』測試成功，將會有一系列的太空船利用這個技術，例如計畫要探測重力波的LISA。同時離子火箭的應用也會日漸頻繁，就像科幻小說所寫的情況一樣。

http://hk.knowledge.yahoo.com/question/?qid=7006071101977