在浩瀚的宇宙黑暗中，美國宇航局的黎明號太空探測器正加速飛越火星軌道，朝著小行星帶前進。 這艘機器人航天器發射的目的是為了尋找太陽系誕生的線索，它正在前往研究灶神星和穀神星，這兩顆小行星是行星胚胎的最大殘餘物，這些胚胎在大約 45.7 億年前碰撞並結合形成了今天的行星。
但使這次飛行引人注目的不僅僅是任務目標。“黎明號”於 2007 年 9 月發射升空，它採用了一種太空推進技術，這種技術正開始在長距離任務中佔據中心舞臺——等離子體火箭發動機。 這種發動機目前正在開發幾種先進形式，它透過電力產生和操縱電離氣體推進劑來產生推力，而不是像傳統火箭那樣燃燒液體或固體化學燃料。
美國宇航局噴氣推進實驗室的“黎明號”任務設計師選擇等離子體發動機作為探測器的火箭系統，因為它效率極高，只需化學火箭發動機到達小行星帶所需燃料的十分之一。 如果專案規劃人員選擇安裝傳統發動機，那麼該飛行器將能夠到達灶神星或穀神星，但不能同時到達兩者。
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事實上，電力火箭（也稱為發動機）正迅速成為向遙遠目標傳送探測器的最佳選擇。 電力推進技術取得的近期成功包括美國宇航局的“深空 1 號”探測器訪問彗星，這是一次額外的旅程，由於航天器完成主要目標後剩餘的推進劑才得以實現。 等離子體發動機還為日本“隼鳥號”探測器嘗試在小行星上著陸以及歐洲航天局“SMART-1”航天器登月提供了推進力。 鑑於該技術已證明的優勢，美國、歐洲和日本的深空任務規劃人員正選擇採用等離子體驅動器來執行未來的任務，這些任務將探索外行星、尋找太陽系外類地行星，並將太空真空用作研究基礎物理學的實驗室。
儘管等離子體推進器現在才開始進入遠端航天器，但該技術的開發已有相當長一段時間，並且已用於太空中的其他任務。
早在 20 世紀的第一個十年，火箭先驅們就推測可以使用電力為航天器提供動力。 但已故的恩斯特·斯圖林格是沃納·馮·布勞恩傳奇的德國火箭科學家團隊的成員，該團隊率先啟動了美國太空計劃，他最終在 20 世紀 50 年代中期將這一概念轉變為實用技術。 幾年後，美國宇航局格倫研究中心（當時稱為劉易斯研究中心）的工程師製造了第一臺執行的電力火箭。 該發動機於 1964 年在“太空電力火箭試驗 1 號”上進行了亞軌道飛行，運行了半小時，然後航天器墜落回地球。
與此同時，前蘇聯的研究人員也在獨立研究電力火箭的概念。 自 20 世紀 70 年代以來，任務規劃人員選擇這項技術是因為它可以節省推進劑，同時執行諸如維持地球同步軌道上電信衛星的姿態和軌道位置等任務。
當考慮到傳統火箭的缺點時，等離子體發動機提供的優勢變得最為顯著。 當人們想象一艘飛船穿過黑暗的虛空朝著遙遠的行星疾馳時，他們通常會想象它從噴嘴中拖出一條長長的火焰羽流。 然而，事實完全不同：前往外太陽系的探險大多是無火箭的，因為大部分燃料通常在執行的最初幾分鐘內消耗殆盡，剩下的路程由航天器滑行到達目的地。 誠然，化學火箭確實將所有航天器從地球表面發射升空，並且可以進行航程中段的修正。 但它們對於為深空探索提供動力是不切實際的，因為它們需要大量的燃料——太多以至於無法實際且經濟地送入軌道。 將一磅（0.45 公斤）任何東西送入地球軌道的成本高達 10,000 美元。
為了在沒有額外燃料的情況下實現長距離、高精度旅程所需的軌跡和高速度，過去許多深空探測器不得不花費時間（通常是數年）繞道前往行星或衛星，這些行星或衛星提供了能夠朝所需方向加速的引力踢力（稱為引力輔助機動的彈弓運動）。 這種迂迴的飛行路徑限制了任務的發射視窗相對較小； 只有在某個短時間內發射才能確保精確地掠過作為引力助推器的宇宙天體。
更糟糕的是，在經過多年的前往目的地的旅行後，配備化學火箭發動機的飛行器通常沒有剩餘的燃料用於制動。 這樣的探測器需要能夠點燃其火箭，以便它可以減速到足以繞其目標軌道執行，從而進行擴充套件的科學觀測。 由於無法制動，它將被限制為僅與它旨在研究的物體進行短暫的相遇。 事實上，經過超過九年的旅程後，美國宇航局於 2006 年發射的深空探測器“新視野號”與其最終研究物件（最近被降級的“矮行星”冥王星）的短暫相遇時間不會超過地球日的一天。
對於那些想知道為什麼工程師一直無法想出辦法將足夠的化學燃料送入太空以避免長任務的此類困難的人，請讓我澄清他們面臨的巨大障礙。 這種解釋源於所謂的火箭方程，任務規劃人員使用該公式來計算給定任務所需的推進劑質量。 俄羅斯科學家康斯坦丁·E·齊奧爾科夫斯基是火箭和航天學的奠基人之一，他於 1903 年首次介紹了這個基本公式。
用通俗的英語來說，火箭方程陳述了一個直觀的事實，即你從航天器中丟擲推進劑的速度越快，你執行火箭機動所需的推進劑就越少。 想象一下一個棒球投手（火箭發動機）站在滑板（航天器）上，拿著一桶棒球（推進劑）。 投手向後投擲球的速度越快（即排氣速度越高），當最後一個球被投擲時，或者等效地，投手必須投擲更少的棒球（更少的推進劑）才能在任何給定時間將滑板的速度提高到期望值時，車輛將以相反方向行駛得越快。 科學家將滑板速度的這種增量增加稱為“delta-v”。
更具體地說，該方程將火箭執行特定外太空任務所需的推進劑質量與兩個關鍵速度聯絡起來：火箭排氣從飛行器中噴射出來的速度以及任務的 delta-v，即飛行器的速度由於排氣噴射而增加的量。 Delta-v 對應於航天器必須消耗的能量，以改變其慣性運動並執行期望的太空機動。 對於給定的火箭技術（即產生給定火箭排氣速度的技術），火箭方程將期望任務的 delta-v 轉換為完成任務所需的推進劑質量。 因此，delta-v 指標可以被認為是任務的一種“價格標籤”，因為執行任務的成本通常由發射所需推進劑的成本決定。
傳統的化學火箭只能實現較低的排氣速度（每秒三到四公里，或 km/s）。 僅此一項特徵就使它們的使用成為問題。 此外，火箭方程的指數性質決定了車輛初始質量中由燃料組成的比例（“推進劑質量分數”）隨著 delta-v 呈指數增長。 因此，深空任務所需的高 delta-v 所需的燃料可能會佔用航天器幾乎所有的起始質量，幾乎沒有留下任何其他東西的空間。
考慮幾個例子：從近地軌道前往火星需要大約 4.5 公里/秒的 delta-v。 火箭方程表明，傳統的化學火箭將需要航天器質量的三分之二以上是推進劑，才能執行這種行星際轉移。 對於更雄心勃勃的旅行，例如前往外行星的探險，其 delta-v 要求範圍為 35 到 70 公里/秒，化學火箭將需要超過 99.98% 的燃料。 這種配置將沒有空間容納其他硬體或有效載荷。 隨著探測器深入太陽系，除非工程師能夠找到顯著提高其排氣速度的方法，否則化學火箭將變得越來越無用。
到目前為止，事實證明，實現這一目標非常困難，因為產生超高排氣速度需要極高的燃料燃燒溫度。 達到所需溫度的能力受到已知化學反應可以釋放的能量以及火箭壁熔點的限制。
相比之下，等離子體推進系統提供更高的排氣速度。 等離子體發動機不是燃燒化學燃料來產生推力，而是加速等離子體雲（帶電原子或分子的雲團）達到非常高的速度。 等離子體是透過向氣體中新增能量來產生的，例如，透過用雷射、微波或射頻波輻射氣體，或透過使氣體暴露於強電場中。 額外的能量將電子從氣體的原子或分子中釋放出來，使後者帶正電荷，前者可以在氣體中自由移動，這使得電離氣體成為比銅金屬更好的電導體。 因為等離子體包含帶電粒子，其運動受到電場和磁場的強烈影響，所以將電場或電磁場應用於等離子體可以加速其成分，並將其從飛行器的後部送出作為產生推力的排氣。 必要場可以由電極和磁鐵產生，使用外部天線或線圈的感應，或者透過驅動透過等離子體的電流來產生。
產生和加速等離子體的電力通常來自收集太陽能量的太陽能電池板。 但前往火星以外的深空飛行器必須依靠核動力源，因為太陽能在遠離太陽的長距離處變得太弱。 今天的微型機器人探測器使用由核同位素衰變加熱的熱電裝置，但未來更雄心勃勃的任務將需要核裂變（甚至聚變）反應堆。 任何核反應堆都只能在飛行器到達遠離地球的安全距離的穩定軌道後才能啟動。 它的燃料在發射過程中將以惰性狀態安全存放。
三種等離子體推進系統已經足夠成熟，可以用於遠端任務。 使用最多的一種，也是為“黎明號”提供動力的一種是離子驅動器。
離子發動機是最成功的電力推進概念之一，其根源可以追溯到美國火箭先驅羅伯特·H·戈達德的想法，這些想法在他一個世紀前還是伍斯特理工學院的研究生時就形成了。 離子發動機能夠實現 20 至 50 公里/秒的排氣速度[見下頁方框]。
在其最常見的形式中，離子發動機從光伏板獲得電力。 它是一個矮胖的圓柱體，不比一個水桶大多少，設定在船尾。 在水桶內部，來自推進劑箱的氙氣流入電離室，在那裡，電磁場將氙氣原子的電子剝離，從而產生等離子體。 然後，等離子體的正離子被提取出來，並透過施加在兩個電極柵格之間的電場的作用加速到高速。 場中的每個正離子都感受到安裝在船尾的帶負電電極的強大拉力，因此向後加速。
排氣中的正離子使航天器帶有淨負電荷，如果任其積累，會將離子吸引回航天器，從而抵消推力。 為了避免這個問題，外部電子源（負極陰極或電子槍）將電子注入正向流動中以進行電中和，這使航天器保持中性。
目前有數十個離子驅動器在商業航天器上執行，主要是地球同步軌道上的通訊衛星，用於軌道“位置保持”和姿態控制。 之所以選擇它們，是因為它們透過大大減少化學推進所需的推進劑質量，為每艘航天器節省了數百萬美元。
在 20 世紀末，“深空 1 號”成為世界上第一艘使用電力推進系統從軌道逃逸地球引力的航天器。 然後，探測器加速了約 4.3 公里/秒，同時消耗了不到 74 公斤的氙推進劑（大約相當於一個未開封的啤酒桶的質量），飛過博雷利彗星的塵埃尾部。 這是迄今為止任何航天器透過推進（而不是引力輔助）獲得的最大速度增量。“黎明號”很快將打破這一紀錄，將其速度提高 10 公里/秒。 噴氣推進實驗室的工程師最近展示了離子驅動器能夠完美執行超過三年的連續執行。
等離子體火箭的效能不僅取決於排氣粒子的速度，還取決於其推力密度，推力密度是發動機在其排氣孔單位面積上產生的推力。 離子發動機和類似的靜電推進器存在一個主要的缺點，稱為空間電荷限制，這嚴重降低了它們的推力密度：當正離子透過離子發動機中的靜電柵格之間時，正電荷不可避免地在該區域積累。 這種積累限制了驅動加速的可實現電場。
由於這種現象，“深空 1 號”的離子發動機產生的推力大約相當於一張紙的重量——幾乎不是科幻電影中轟鳴的火箭發動機，更像是需要兩天才能從零加速到每小時 60 英里的汽車。 然而，只要人們願意等待足夠長的時間（通常是幾個月），這些發動機最終可以達到遙遠旅程所需的高 delta-v。 這種壯舉是可能的，因為在沒有任何阻力的太空真空中，即使是微小的推動力，如果不斷施加，也會導致高推進速度。
一種稱為霍爾推進器的等離子體推進系統[參見右側方框]避免了空間電荷限制，因此可以比同等尺寸的離子發動機更快地（透過其更大的推力密度）將飛行器加速到高速。 自 20 世紀 90 年代初以來，這項技術在西方越來越受歡迎，此前在前蘇聯經歷了三十年的穩步發展。 霍爾推進器很快就可以承擔遠端任務了。
該系統依賴於埃德溫·H·霍爾於 1879 年發現的基本效應，當時他還是約翰·霍普金斯大學的物理學研究生。 霍爾表明，當電場和磁場在導體內部垂直設定時，電流（稱為霍爾電流）會沿垂直於這兩個場的方向流動。
在霍爾推進器中，當內部正極陽極和位於裝置外部的負極陰極之間的放電穿過裝置內部的中性氣體時，就會產生等離子體。 然後，產生的等離子體流體透過洛倫茲力從圓柱形發動機中加速噴出，洛倫茲力是施加的徑向磁場和電流（在本例中為霍爾電流）相互作用產生的，該電流在方位角方向上流動，即在圍繞中心陽極的圓形“軌道”中流動。 霍爾電流是由電子在磁場和電場中的運動引起的。 根據可用功率，排氣速度可以從 10 公里/秒到 50 公里/秒以上不等。
這種形式的電力火箭透過加速整個等離子體（包括正離子和負電子）來避免空間電荷積累，結果是其推力密度，從而使其推力（以及因此其潛在的 delta-v）是相同尺寸離子發動機的許多倍。 地球軌道衛星上已飛行了 200 多個霍爾推進器。 而正是霍爾推進器使歐洲航天局能夠有效地推動其 SMART-1 航天器經濟地到達月球。
工程師們現在正試圖擴大當今相當小的霍爾推進器的規模，以便它們能夠處理更高的功率量，從而產生更高的排氣速度和推力水平。 這項工作還旨在延長它們的執行壽命，以滿足深空探索所需的多年的持續時間。
普林斯頓等離子體物理實驗室的科學家透過在霍爾推進器的壁中植入分段電極，朝著這些目標邁進了一步。 電極以有助於將等離子體聚焦成細排氣束的方式塑造內部電場。 這種設計減少了推力的無用非軸向分量，並透過使等離子體束遠離推進器壁來提高系統的執行壽命。 德國工程師使用特殊形狀的磁場取得了類似的結果。 與此同時，斯坦福大學的研究人員表明，用堅韌的合成多晶金剛石襯砌壁可以顯著提高裝置對等離子體侵蝕的抵抗力。 這些改進最終將使霍爾推進器適用於深空任務。
進一步提高等離子體推進推力密度的一種方法是增加發動機中加速的等離子體總量。 但是，隨著霍爾推進器中等離子體密度的提高，電子與原子和離子碰撞的頻率更高，這使得電子更難以攜帶加速所需的霍爾電流。 一種稱為磁等離子體動力推進器 (MPDT) 的替代方案允許使用更密集的等離子體，它放棄了霍爾電流，轉而採用主要與電場對齊的電流分量[參見左側方框]，並且比霍爾電流更不容易受到原子碰撞的破壞。
一般來說，MPDT 由一個位於較大圓柱形陽極內的中心陰極組成。 一種氣體，通常是鋰，被泵入陰極和陽極之間的環形空間。 在那裡，它被從陰極徑向流向陽極的電流電離。 該電流會感應出一個方位角磁場（一個環繞中心陰極的磁場），該磁場與感應它的同一電流相互作用，以產生產生推力的洛倫茲力。
一個大約家用桶大小的 MPD 發動機可以將來自太陽能或核能的約一百萬瓦的電力轉化為推力（足以為超過 10,000 個標準燈泡供電），這大大高於相同尺寸的離子或霍爾推進器的最大功率限制。 MPDT 可以產生 15 到 60 公里/秒的排氣速度。 它確實是一個能幹的小發動機。
這種設計還具有節流的優勢； 可以透過改變電流水平或推進劑的流速來輕鬆調整其排氣速度和推力。 節流允許任務規劃人員根據需要改變航天器的發動機推力和排氣速度，以最佳化其軌跡。
對阻礙 MPD 裝置效能和壽命的機制（例如電極腐蝕、等離子體不穩定性和等離子體中的功率耗散）的深入研究導致了新型高效能發動機，這些發動機依賴鋰和鋇蒸氣作為推進劑。 這些元素容易電離，在等離子體中產生較低的內部能量損失，並有助於保持陰極冷卻。 採用這些液態金屬推進劑和包含改變電流與其表面相互作用方式的通道的非常規陰極設計，導致陰極腐蝕顯著減少。 這些創新正在導致更可靠的 MPDT。
一個由學術界和美國宇航局研究人員組成的團隊最近完成了最先進的鋰進給 MPDT（稱為 2）的設計，該 MPDT 有可能驅動核動力飛船，將重型貨物和人員運送到月球和火星，以及前往外行星的機器人任務。
離子、霍爾和 MPD 推進器只是電力等離子體火箭技術的三種變體，儘管它們是最成熟的。 在過去的幾十年中，研究人員開發了許多其他有希望的相關概念，其成熟度各不相同。 有些是間歇執行的脈衝發動機； 有些是連續執行的。 有些透過基於電極的放電產生等離子體； 有些使用基於線圈的磁感應或天線產生的輻射。 它們應用的加速等離子體的機制也各不相同：有些使用洛倫茲力； 有些透過將等離子體夾帶在磁場產生的電流片或行進電磁波中來加速等離子體。 一種型別甚至旨在透過由磁場組成的隱形“火箭噴嘴”排出等離子體。
在所有情況下，等離子體火箭的加速速度都比傳統火箭慢。 然而，在所謂的“慢而快的悖論”中，它們通常可以透過最終達到比標準推進系統使用相同質量的推進劑所能達到的更高航天器速度，更快地到達遙遠的目的地。 因此，它們避免了耗時的引力助推繞道。 正如寓言中緩慢而穩健的烏龜擊敗了間歇性衝刺的兔子一樣，在深空探索時代日益普遍的馬拉松式飛行中，烏龜獲勝。
到目前為止，最先進的設計可以提供 100 公里/秒的 delta-v，這對於將航天器帶到遙遠的恆星來說太慢了，但對於在合理的時間內訪問外行星來說已經足夠了。 一項特別令人興奮的深空任務已被提出，該任務將從土星最大的衛星土衛六泰坦上帶回樣本，太空科學家認為土衛六的大氣層與很久以前的地球非常相似。
來自泰坦表面的樣本將為研究人員提供一個難得的機會，以尋找生命化學前體的跡象。 這項任務對於化學推進來說是不可能的。 而且，在沒有航程中推進的情況下，這次旅程將需要多次行星引力輔助，這將使總行程時間增加三年以上。 配備“能幹的小型等離子體發動機”的探測器將能夠在更短的時間內完成這項工作。
注：本文最初印刷時的標題為“電力火箭的新曙光”。