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2021-09-24

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????????“‘行星發(fā)動機！’‘這是推進式發(fā)動機，全球一共有一萬座，主要負責推進地球前進。這還不是最大的，赤道上的轉向發(fā)動機，那才是真正的巨無霸?！?/p>

????????這是段來自電影《流浪地球》中的對白。在電影設定中，太陽急速老化，體積不斷膨脹，為了地球人民的生存，地球聯(lián)合政府盡全人類力量修建一萬兩千座行星發(fā)動機，推動地球變軌，飛往半人馬座比鄰星。

????????小伙伴們是不是對電影中反復出現的行星發(fā)動機產生了深刻的印象？那我們就來介紹一下行星發(fā)動機：

????????在電影的設定中，行星發(fā)動機工作時，反應堆通過重元素聚變產生大量超高速離子，這些離子噴出噴射口產生反作用力推動地球前進……

????????以現有的知識儲備，我們很難了解地球發(fā)動機的具體構造，想要將其建造出來更是無從談起。但如果我們將其簡化，拋開如何控制重元素聚變，如何選擇合適的材料，如何建造等一些我們現在科技水平無法處理的問題，只從工作原理上來講，那么在座的各位可以輕易理解。

????????從原理上來講，“地球發(fā)動機”其實是一種離子引擎。

????????離子引擎通過噴射工質來獲得反作用力，從而推動自身前進。所謂的工質，也就是一種物質，可以是空氣，燃氣，液體等···火箭發(fā)射時噴出的燃料，將吹滿氣的氣球松開，氣球飛出去時噴出的空氣，都是工質的典型代表。

????????離子引擎最大的好處，在于它的比沖很大。所謂的比沖，也就是發(fā)動機能夠把工質加速到多快的速度，比沖越大，效率越高。一般火箭所攜帶的燃料比沖是250m/s，但離子引擎可以達到3000m/s，是一般火箭的十倍之多！由此可見離子引擎的效率之高。

那么離子引擎究竟是如何工作的呢？

????????一般的離子引擎由電子槍、工質通道、磁鐵、中和電子槍、正負極柵板等部分組成，相比于傳統(tǒng)化學引擎，離子引擎的結構可謂是相當簡單。

????????離子引擎工作時，熾熱的金屬絲（圖中未畫出）源源不斷的產生電子，通過電子槍注入反應腔室中。

????????1.發(fā)射出的電子在磁鐵產生的磁場作用下偏轉，在反應腔室中不斷徘徊。與此同時，不帶電的工質原子通過工質通道被注入反應腔室，與徘徊中的電子混合：

????????2.當電子與工質原子（通常為氙原子）碰撞時，會將工質原子電離，形成兩個電子和一個一價正離子：

????????3.多余的電子被反應腔室吸收，一價正離子則飄到正負極柵板處，在兩板之間形成的電場作用下被加速噴出，由此形成的反作用力負責推進引擎前進：

????????由于長時間工作后，反應腔室外壁上會積聚大量電子，妨礙正離子正常噴出，科學家們想到了一個絕頂聰明的辦法：在引擎的上部加裝一個中和電子槍，將從反應腔室外壁上收集來的電子與正離子一同噴出，這樣既解決了電子積聚的問題，又給引擎加了個強化BUFF，在一定程度上增加了引擎的推力，可謂是經濟、實惠、還環(huán)保。

????????上述過程在引擎中不斷重復，正負離子不斷噴出，便形成了推力。

動態(tài)展示

????????離子引擎的原理就給大家講這么多，屏幕前的大家或許會問：這個東西到底有什么用？能不能吃？

????????其實離子引擎現在就已經存在并廣泛應用于各種人造衛(wèi)星了，在低軌人造衛(wèi)星上，離子引擎負責抵消衛(wèi)星與地球大氣的摩擦力，保證衛(wèi)星在軌正常運行。在探測器上，離子引擎負責提供長久的推力，使探測器不斷加速，完成探測任務。中國的“實踐9號”，日本的“隼鳥2號”，美國的“深空1號”等探測器均使用離子引擎作為推進器。

????????然而，目前離子引擎也存在諸多缺點，比如耗能高（即使是最省電的離子引擎功率都在1KW以上）、推力?。∟ASA新研制的離子引擎推力僅僅能夠推動一張紙的重量）等等。如果克服這些缺點，離子引擎的應用前景相當可觀。

????????2018年11月，麻省理工學院研制出了離子推進的飛行器，在未來，小說《三體》中所描述的“飛行汽車”或許都能成真！

????????通過文章的介紹，離子引擎并非我們所想的那么遙不可及，仿佛只存在于科幻作品中的事物已經應用在了高端科技項目之中。現在的離子引擎還有許多缺陷，但這些缺陷意味著無限的可能，將可能變?yōu)楝F實，將科幻中才有的事物在現實中創(chuàng)造出來，便是我們這一代新青年所需擔當的責任與義務。希望各位工大人能夠有一顆創(chuàng)新的心，一雙開拓的手，為成為科技強國助力，為推動人類科技水平奮斗。

????????看到這里，大家是不是覺得“地球發(fā)動機”離自己又近了一步呢？或許不久的將來，我們也可以制造屬于自己的“地球發(fā)動機”呢！

參考文獻：

[1]江興流,易立志,劉銳,樂小云.電暈放電飄升機研究[J].航空學報,2005(06):28-31.

[2]百度百科-離子引擎概述[ER/OL]

[3]?MIT ELECTRIC AIRCRAFT INTIATIVE[ER/OL]

撰 稿 人： 科技協(xié)會科創(chuàng)部 ??王一名 全金宇 劉鑫禹

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