离子发动机可以使用水作为推进剂吗？

离子推进器以其高效而闻名，与化学火箭相比，它们的效率极高，因此在推进剂供应至关重要的深空任务中，离子推进器是首选。

离子驱动器使用氙气或氪气。它们能用普遍且易得的水来驱动吗？

水在整个太阳系中广泛存在，至少以冰的形式存在。

电解可以将水分解成氢和氧，产生的氢可以用作火箭燃料。然而，这是一个复杂的过程。

如果同样的水可以用作离子驱动器的燃料，那将是一个革命性的改变。

水的可能性

《电力推进杂志》上的一项新研究展示了这种推进器的工作原理及其可能带来的好处。

该研究题为《水燃料霍尔效应推进器的计算建模》下文节选，可以复制里面链接查看。

这项研究的重点是霍尔效应推进器(HET)，它与离子推进器并不完全相同，但非常相似。这两种系统都使用加速离子来推动航天器穿越太空。它们都无法从行星表面发射航天器，但一旦航天器脱离重力，它们都是可行的系统。

离子推进器非常适合长期任务，因为它们的推进效率更高。NASA 在“深空一号”、“黎明号”和“灵神号”任务中使用了它们，而 ESA 则在“贝皮-哥伦布号”和 LISA 任务中使用了它们。

▲△NASA 深空一号

霍尔推进器是“各种太空推进操作的首选，例如位置保持或轨道处置”。根据他们的论文，72%的地球静止轨道卫星使用霍尔效应推进器。

霍尔推进器更简单，组件更少，而离子推进器则稍微复杂一些。

霍尔推进器产生的推力更大，比冲更低，而离子推进器则相反。

这两种系统都属于电力推进的范畴。

这两种系统都使用电力（通常由太阳能电池板产生）来为推进剂气体带上正电荷。然后，它们利用磁场喷射气体，产生推力。

氙气是高能电子传输器 (HET) 中最常见的燃料，因为它电离能量低、原子质量高、易于处理和储存。

然而，氙气供应有限，且价格波动较大。

氪气也被使用，碘也是一个可行的替代品。

研究人员也在考虑使用氩气、氪气、镁气，甚至巴克敏斯特富勒烯。每种选择都有各自的问题和障碍。

人们考虑使用水作为燃料的原因显而易见。水成本低、无毒、易于储存，并且能与生命支持和热冷却等航天器系统协同作用。此外，水在太阳系中的储量也十分丰富。

由于实验成本高昂且耗时，探索水作为高能效推进器（HETS）燃料的必要性。

因此，显然需要开发稳健且具有预测性的模拟工具，这既是为了在设计参数空间内进行相对廉价的迭代，也是为了更好地理解推进器运行背后的物理原理。

研究人员模拟了使用水作为霍尔推进器推进剂的情况。

在一种情况下，他们使用水蒸气；

在第二种情况下，他们使用通过电解水得到的氧气。

霍尔推进器产生的离子被推进以产生推力，每次模拟产生的离子阵列都不同。

结果表明，在两种情况下，水都可以作为异质结电子传输（HET）的合适推进剂。

在功率水平相同的情况下，氙气发动机仍然更胜一筹。

与氙气驱动的HET发动机相比，氙气发动机在同等功率水平下显然拥有更优异的推力和效率，

然而，在功率水平提高的情况下，水的效率更高。

值得注意的是，对于氧气和水蒸气系统，实验观察和现有数据表明，它们的比冲随着放电功率的提高而提高，最终超过氙气驱动的HET所达到的数值。

由于它们能产生更高的比冲，这些系统可能非常适合深空任务，因为在深空任务中，效率和长期运行至关重要。

总而言之，尽管由于解离损失、推进剂质量轻以及其第一电离势比氙气更高，水燃料系统的性能预计无法达到氙气燃料装置的性能，但水燃料系统仍具有显著的优势。

关键或许在于，水的可用性以及与其他系统的协同作用在深空任务中至关重要。水电解可以同时产生氧气和氢气，用于化学推进和电力推进，从而实现多功能性。

这只是初步研究，因此尚未得出任何绝对结论。此类模拟只是实际测试的初步阶段，研究人员未来将会了解更多。

国外实验

那么可能有人感觉这是无稽之谈，其实现在已有国外公司在做实验，以PBI（水基离子推进器）是一种微型栅状离子推进器，其1U尺寸可提供前所未有的总冲量，是纳米卫星和微型卫星的理想选择。

它是一个完全集成的系统，包含推进器头、流体系统、电子设备和推进剂储罐，并且可集群化，以满足各种尺寸的航天器需求。

PBI 使用水作为推进剂，无需高压储存。推进剂在工厂交付前已预装到燃料箱中，因此卫星集成商无需处理复杂的加油工作。

但最终如何我们会继续跟踪分享。

那么你认为水作为离子发动机的推进剂是否能成功呢？

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