NASA的離子推進器在近期實驗中獲得新突破，分別打破了上一代引擎在運行電流、功率和推力3項紀錄。這意味著載人飛行器飛往火星的旅行時間有望被大大縮短。

這是美國太空總署（NASA）、密歇根大學（University of Michigan）及美國空軍在過去5年來的合作成果。霍爾推進器（Hall thruster）X3通過讓電磁場高速射出等離子流來推進飛行器，比傳統以化學燃料為動力的推進器節能很多，相當於用相同的燃料，前者可以推進10倍遠的距離。

密歇根大學航空工程教授、該項目的領銜研究員Alec Gallimore說，霍爾推進器很適合作為火星之旅的航天引擎，可以用最節省的能源和動力，航行1年左右的時間把所需的大量裝備和設備送到火星上；或者以最佳速度，在很短的時間內把航天員送達火星。

該團隊自2009年起從事該技術的研究。Gallimore說，燃料動力推進器速度最大可達每秒5公里，而霍爾推進器最大可達每秒40公里。

X3在今年7月底到8月的測試中，刷新了上述3項紀錄：其推力達5.4牛頓，較上一代3.3牛頓進步了很多——這對載人火星計劃尤其重要，意味著更大的加速度和更短的旅行時間；X3運行電流達到250安培，是上一代112安培的兩倍多；運行功率達102千瓦，也比上一代的98千瓦有提升。

複雜的實驗過程

這次的實驗在位於俄亥俄州Cleveland的NASA 格倫（Glenn）研究中心進行。該中心有全美目前唯一一個能夠駕馭X3推進器的真空室和設備。X3產生很多尾氣，數個真空泵都來不及及時將它們排淨。因此一些引擎排出氙氣會混進作為推進力的等離子流中，弱化實驗結果。

本次的實驗中，X3團隊花了4周的時間搭建、固定推進器支架，接上氙氣和電源。由於X3的重量和體積，團隊為它特別定制了一個支架。負責實驗操作的密歇根大學航天工程博士生Scott Hall說：「它有500磅（227公斤）重，直徑約1米。多數霍爾推進器只需一兩個人就可以搬起來在實驗室內移動，而我們需要一個起重機來移動X3。」

Hall說：「關上門、啟動抽氣按鈕是令人激動的時刻。」

經過20個小時的抽空使其達到太空的真空狀態，加上數日每天12個小時的工作，才能完成X3的一次試運行。而在這期間，任何一個小小的問題都會帶來很大麻煩——必須緩慢放空氣回密閉室、入內完成修復，然後再啟動漫長的抽空過程。儘管如此，該團隊在25天內完成了測試。

預計X3將與獲NASA認可的、火箭和導彈推進系統權威廠商Aerojet Rocketdyne製造的能源供應模塊整合成為XR-100系統。明年初將對其進行進一步測試，看它能否滿功率連續運行100個小時。

X3是XR-100的核心部份。NASA將在未來10年為XR-100投資650萬美元，為X3注資100萬。

霍爾推進器工作原理

霍爾推進器的工作過程源起於讓大量電子在一個環形管內從尾端的負極螺旋式流向正極的過程中，向管內注入原子（通常使用氙氣）。電子和原子的碰撞時，電子將把氙氣本身的電子撞出去，從而把氙氣原子變成正離子。電子流螺旋運動產生的強大電場會將氙氣正離子高速從尾端射出從而形成推力。

Gallimore說：「被離子化後，氙氣原子將以每秒3萬米的速度被射出，這相當於每小時6.5萬哩。」

X3由3個這樣的同心管套疊在一起共同運作，每個管道約幾厘米深。上一代X2只有2個管道。管道套疊設計能在獲得大功率的同時，又節省空間。

X3是由NASA注資擬發展成完整推進系統的3個「火星引擎」原型之一。3個雛形引擎都依靠反向射出等離子流作為推動力。

目前一些環地衛星已經使用霍爾推進器了，其中功率最大的只有4.5千瓦。這樣的動力用於調整衛星的軌道或朝向來說是足夠的，但比起要把物資、甚至人類送到深遠的太空中去，就遠遠不夠了。

光子推進器到火星 只需「幾日」

NASA沒把登火星的「賭注」全下在離子推進技術上，另一些科學家正在研發光子推進技術。

加利福尼亞的一組物理學家就在研究如何利用激光推進探測器，如果成功，抵達火星只需幾天的時間。該小組目前的目標還只是小型探測器，但並不排除將來可以應用到大型飛行器上。

加利福尼亞大學Santa Barbara學院的Phillip Lubin教授說，理論上這種技術可以讓飛行器達到光速，他透露，目前有希望達到光速的四分之一。不過這在發射和降落的過程會比其它推進器慢得多。◇

 

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