人類目前所有的火箭發(fā)動機(jī)，其基本原理都是往后扔東西，來獲得反推力，學(xué)過高中物理的，都知道這是牛頓老爺子的第三定律，還有動量守恒，想要獲得更大的推力，有兩條路，一條是往后扔更多的東西，一條是同樣的東西，以更快的速度往后扔，第一條明顯不行，所以，所有的火箭發(fā)動機(jī)，都是圍繞著第二條，各種改進(jìn)。

火箭就是比看誰能噴

為了讓燃料能以更快的速度朝后噴，那最少得讓它燃燒更充分，所以火箭發(fā)動機(jī)都自帶液氧，然后各種燃料都是想辦法怎么以更快的速度燃燒，產(chǎn)生更多的氣體，但是目前，燃料噴射速度基本在2-5km/s之間，想再往上升就很難了，因?yàn)門NT的爆速也不過7km/s，用炸藥當(dāng)燃料，火箭體得做得很堅(jiān)固，會造成質(zhì)量太大。

這5km/s的噴射速度，已經(jīng)是目前化學(xué)燃料的極限了，聽起來速度也很高了，但是對于太空飛行來說，這根本不頂用，當(dāng)年土星五號運(yùn)載火箭，起飛重量3038.5噸，有2300噸都是液氧和煤油，一級火箭每秒消耗燃料13噸，總推力達(dá)3408噸，卻只能把45噸的東西運(yùn)到月球軌道，近地軌道的運(yùn)載能力是118噸，這已經(jīng)是目前人類頂級了。

人類最強(qiáng)火箭，土星5號。

想要在太空旅行，那就必須擺脫化學(xué)燃料的范圍，人類創(chuàng)造出比5km/s更快速度的東西，就是各種高能離子了，經(jīng)過電場的加速，離子的速度能達(dá)到30km/s，這速度可是相當(dāng)高了，于是離子發(fā)動機(jī)出現(xiàn)了，基本原理就是把東西電離了，然后利用電場把離子加速，這東西高二物理講的很多，上過高中的，應(yīng)該都懂。

1998年美國深空1號，采用離子發(fā)動機(jī)，噴口速度30km/s，推力只有90毫牛，工作一整天只噴了100克燃料，給衛(wèi)星增加了10m/s的速度，好在這東西噴得東西真不多，帶不多的燃料，夠它噴好長時間的了，太空又沒有阻力，慢慢積累起來，這速度也是扛扛的，也可以利用彈弓效應(yīng)給自己加速。

2019年，日本隼鳥二號探測器在3億公里外的小行星成功取樣，用的就是微波離子發(fā)動機(jī)，采用微波把燃料電離。

日本隼鳥二號

離子發(fā)動機(jī)原理不難，但是問題還是不少的，不管噴出的是正離子，還是負(fù)離子，被加速后的離子終歸是從正負(fù)極噴出去的，為了不讓高速離子撞到正負(fù)極上，把正負(fù)極做成了格柵狀，高速離子從格柵的空隙中飛出去，但總歸有打在正負(fù)極上的高速離子，使整體效率降低，正負(fù)極得經(jīng)受高速離子的沖擊腐蝕，對材料要求極高。

怎么改進(jìn)呢，于是就有了霍爾發(fā)動機(jī)，利用霍爾效應(yīng)，電流在磁場中流動，正負(fù)離子受到洛倫茲力的作用，（也是高二物理講的，左手定則伙伴們還記得嗎），朝兩個相反方向運(yùn)動，于是電離和加速就合二為一了，然后經(jīng)過各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)，噴口成圓環(huán)狀，也不會再有格柵的阻擋，真的是美滋滋。

好科幻，有沒有

易電離的原子都可以作為推進(jìn)劑。當(dāng)前主流推進(jìn)劑是氙，不過這東西太稀有，不好大規(guī)模裝備。所以就有了如鋅、氮、碘、鎂、鉍等各種推進(jìn)劑，光譜都不一樣，很是好看。

高軌道衛(wèi)星所處環(huán)境，基本上是太空，沒有阻力，幾乎可以永遠(yuǎn)地繞著地球飛行，近軌衛(wèi)星就不行了，受極其稀薄的氣體阻力影響，軌道其實(shí)是逐漸降低的，比如國際空間站，每天軌道高度下降約66米，一個月累積起來，高度會下降2公里。所以就得定期啟動軌道控制發(fā)動機(jī)，抬升一下軌道，以防掉回地球，國際空間站為此每年需要燃燒7.5噸的推進(jìn)劑，需要定期由貨運(yùn)飛船送推進(jìn)劑上太空，成本達(dá)2億美元。

我們的空間站天和核心艙上配備了4臺霍爾電推進(jìn)器，雖然它們的推力非常小，只有0.33牛，但持續(xù)運(yùn)行一天，就可以讓空間站產(chǎn)生大約0.7米/秒的速度增量，完全可以用來空間站的軌道維持。持續(xù)工作，也只耗費(fèi)一點(diǎn)點(diǎn)燃料，電力來源于巨大的太陽能板，可以認(rèn)為電力來源是無限的。

2015年SpaceX發(fā)射了兩顆全電推進(jìn)的通信衛(wèi)星，安裝了4臺XIPS-25離子推進(jìn)器，推力165毫牛，這點(diǎn)力，我估計(jì)連各位放個屁的推力大都沒有，但是這倆衛(wèi)星就靠這點(diǎn)放屁大的推力，從轉(zhuǎn)移軌道爬到了3.6萬公里高的同步軌道。

全電推進(jìn)

化學(xué)火箭推力大，但一般十幾分鐘就燒完了，離子推進(jìn)器則相反，體積不大，力道也很小，但可以持續(xù)幾個月不間斷工作，在太空中累積起來，也是不得了的速度變化，現(xiàn)在軌道定位、控制姿態(tài)基本是離子推進(jìn)的天下了。

目前，離子發(fā)動機(jī)噴射速度最快的是VASIMR的300km/s，這是老美的新玩意，名字是可變比沖磁等離子體發(fā)動機(jī)，就是先把離子加熱到100萬度，學(xué)過物理的都知道，高溫下，離子的運(yùn)動速度本身就是很高的，然后再用電場加速，就能極大提高噴射速度，不過東西太耗電了，在太空中，就靠那幾個太陽能板，根本不夠用，本身質(zhì)量也太大。

于是，新思路又出現(xiàn)了，利用聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫等離子體，再用電場加速，噴口速度可以達(dá)到20000km/s，在這種噴射速度下，只要每秒噴出4克燃料，推力就達(dá)到了8萬牛，以天宮一號空間站為例，它重約8噸， 這推力能讓天宮一號產(chǎn)生1G的加速度，在太空中沒有阻力，以這個加速度不停加速下去，到月球只需3.5小時，到太陽系最遠(yuǎn)的海王星，只需16天，追上已經(jīng)飛了43年、211億公里外的旅行者1號，只需24天，而當(dāng)年的阿波羅號去月球花了3天，旅行者2號去海王星花了12年，因?yàn)樗麄冊陲w行中是沒有動力的，最初的速度都是火箭給的，然后就以這個速度在太空里面飄。

想想是不是很美好啊，但是目前只是理論而已，可控核聚變還沒搞定，如果把這個東西搞定，地球上就再也沒有能源危機(jī)了，太空旅行也即將到來，希望在我有生之年，能看到這一天的到來吧。