在浩瀚的宇宙黑暗中，美国宇航局的黎明号太空探测器正加速飞越火星轨道，朝着小行星带前进。 这艘机器人航天器发射的目的是为了寻找太阳系诞生的线索，它正在前往研究灶神星和谷神星，这两颗小行星是行星胚胎的最大残余物，这些胚胎在大约 45.7 亿年前碰撞并结合形成了今天的行星。
但使这次飞行引人注目的不仅仅是任务目标。“黎明号”于 2007 年 9 月发射升空，它采用了一种太空推进技术，这种技术正开始在长距离任务中占据中心舞台——等离子体火箭发动机。 这种发动机目前正在开发几种先进形式，它通过电力产生和操纵电离气体推进剂来产生推力，而不是像传统火箭那样燃烧液体或固体化学燃料。
美国宇航局喷气推进实验室的“黎明号”任务设计师选择等离子体发动机作为探测器的火箭系统，因为它效率极高，只需化学火箭发动机到达小行星带所需燃料的十分之一。 如果项目规划人员选择安装传统发动机，那么该飞行器将能够到达灶神星或谷神星，但不能同时到达两者。
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事实上，电力火箭（也称为发动机）正迅速成为向遥远目标发送探测器的最佳选择。 电力推进技术取得的近期成功包括美国宇航局的“深空 1 号”探测器访问彗星，这是一次额外的旅程，由于航天器完成主要目标后剩余的推进剂才得以实现。 等离子体发动机还为日本“隼鸟号”探测器尝试在小行星上着陆以及欧洲航天局“SMART-1”航天器登月提供了推进力。 鉴于该技术已证明的优势，美国、欧洲和日本的深空任务规划人员正选择采用等离子体驱动器来执行未来的任务，这些任务将探索外行星、寻找太阳系外类地行星，并将太空真空用作研究基础物理学的实验室。
尽管等离子体推进器现在才开始进入远程航天器，但该技术的开发已有相当长一段时间，并且已用于太空中的其他任务。
早在 20 世纪的第一个十年，火箭先驱们就推测可以使用电力为航天器提供动力。 但已故的恩斯特·斯图林格是沃纳·冯·布劳恩传奇的德国火箭科学家团队的成员，该团队率先启动了美国太空计划，他最终在 20 世纪 50 年代中期将这一概念转变为实用技术。 几年后，美国宇航局格伦研究中心（当时称为刘易斯研究中心）的工程师制造了第一台运行的电力火箭。 该发动机于 1964 年在“太空电力火箭试验 1 号”上进行了亚轨道飞行，运行了半小时，然后航天器坠落回地球。
与此同时，前苏联的研究人员也在独立研究电力火箭的概念。 自 20 世纪 70 年代以来，任务规划人员选择这项技术是因为它可以节省推进剂，同时执行诸如维持地球同步轨道上电信卫星的姿态和轨道位置等任务。
当考虑到传统火箭的缺点时，等离子体发动机提供的优势变得最为显著。 当人们想象一艘飞船穿过黑暗的虚空朝着遥远的行星疾驰时，他们通常会想象它从喷嘴中拖出一条长长的火焰羽流。 然而，事实完全不同：前往外太阳系的探险大多是无火箭的，因为大部分燃料通常在运行的最初几分钟内消耗殆尽，剩下的路程由航天器滑行到达目的地。 诚然，化学火箭确实将所有航天器从地球表面发射升空，并且可以进行航程中段的修正。 但它们对于为深空探索提供动力是不切实际的，因为它们需要大量的燃料——太多以至于无法实际且经济地送入轨道。 将一磅（0.45 公斤）任何东西送入地球轨道的成本高达 10,000 美元。
为了在没有额外燃料的情况下实现长距离、高精度旅程所需的轨迹和高速度，过去许多深空探测器不得不花费时间（通常是数年）绕道前往行星或卫星，这些行星或卫星提供了能够朝所需方向加速的引力踢力（称为引力辅助机动的弹弓运动）。 这种迂回的飞行路径限制了任务的发射窗口相对较小； 只有在某个短时间内发射才能确保精确地掠过作为引力助推器的宇宙天体。
更糟糕的是，在经过多年的前往目的地的旅行后，配备化学火箭发动机的飞行器通常没有剩余的燃料用于制动。 这样的探测器需要能够点燃其火箭，以便它可以减速到足以绕其目标轨道运行，从而进行扩展的科学观测。 由于无法制动，它将被限制为仅与它旨在研究的物体进行短暂的相遇。 事实上，经过超过九年的旅程后，美国宇航局于 2006 年发射的深空探测器“新视野号”与其最终研究对象（最近被降级的“矮行星”冥王星）的短暂相遇时间不会超过地球日的一天。
对于那些想知道为什么工程师一直无法想出办法将足够的化学燃料送入太空以避免长任务的此类困难的人，请让我澄清他们面临的巨大障碍。 这种解释源于所谓的火箭方程，任务规划人员使用该公式来计算给定任务所需的推进剂质量。 俄罗斯科学家康斯坦丁·E·齐奥尔科夫斯基是火箭和航天学的奠基人之一，他于 1903 年首次介绍了这个基本公式。
用通俗的英语来说，火箭方程陈述了一个直观的事实，即你从航天器中抛出推进剂的速度越快，你执行火箭机动所需的推进剂就越少。 想象一下一个棒球投手（火箭发动机）站在滑板（航天器）上，拿着一桶棒球（推进剂）。 投手向后投掷球的速度越快（即排气速度越高），当最后一个球被投掷时，或者等效地，投手必须投掷更少的棒球（更少的推进剂）才能在任何给定时间将滑板的速度提高到期望值时，车辆将以相反方向行驶得越快。 科学家将滑板速度的这种增量增加称为“delta-v”。
更具体地说，该方程将火箭执行特定外太空任务所需的推进剂质量与两个关键速度联系起来：火箭排气从飞行器中喷射出来的速度以及任务的 delta-v，即飞行器的速度由于排气喷射而增加的量。 Delta-v 对应于航天器必须消耗的能量，以改变其惯性运动并执行期望的太空机动。 对于给定的火箭技术（即产生给定火箭排气速度的技术），火箭方程将期望任务的 delta-v 转换为完成任务所需的推进剂质量。 因此，delta-v 指标可以被认为是任务的一种“价格标签”，因为执行任务的成本通常由发射所需推进剂的成本决定。
传统的化学火箭只能实现较低的排气速度（每秒三到四公里，或 km/s）。 仅此一项特征就使它们的使用成为问题。 此外，火箭方程的指数性质决定了车辆初始质量中由燃料组成的比例（“推进剂质量分数”）随着 delta-v 呈指数增长。 因此，深空任务所需的高 delta-v 所需的燃料可能会占用航天器几乎所有的起始质量，几乎没有留下任何其他东西的空间。
考虑几个例子：从近地轨道前往火星需要大约 4.5 公里/秒的 delta-v。 火箭方程表明，传统的化学火箭将需要航天器质量的三分之二以上是推进剂，才能执行这种行星际转移。 对于更雄心勃勃的旅行，例如前往外行星的探险，其 delta-v 要求范围为 35 到 70 公里/秒，化学火箭将需要超过 99.98% 的燃料。 这种配置将没有空间容纳其他硬件或有效载荷。 随着探测器深入太阳系，除非工程师能够找到显着提高其排气速度的方法，否则化学火箭将变得越来越无用。
到目前为止，事实证明，实现这一目标非常困难，因为产生超高排气速度需要极高的燃料燃烧温度。 达到所需温度的能力受到已知化学反应可以释放的能量以及火箭壁熔点的限制。
相比之下，等离子体推进系统提供更高的排气速度。 等离子体发动机不是燃烧化学燃料来产生推力，而是加速等离子体云（带电原子或分子的云团）达到非常高的速度。 等离子体是通过向气体中添加能量来产生的，例如，通过用激光、微波或射频波辐射气体，或通过使气体暴露于强电场中。 额外的能量将电子从气体的原子或分子中释放出来，使后者带正电荷，前者可以在气体中自由移动，这使得电离气体成为比铜金属更好的电导体。 因为等离子体包含带电粒子，其运动受到电场和磁场的强烈影响，所以将电场或电磁场应用于等离子体可以加速其成分，并将其从飞行器的后部送出作为产生推力的排气。 必要场可以由电极和磁铁产生，使用外部天线或线圈的感应，或者通过驱动通过等离子体的电流来产生。
产生和加速等离子体的电力通常来自收集太阳能量的太阳能电池板。 但前往火星以外的深空飞行器必须依靠核动力源，因为太阳能在远离太阳的长距离处变得太弱。 今天的微型机器人探测器使用由核同位素衰变加热的热电设备，但未来更雄心勃勃的任务将需要核裂变（甚至聚变）反应堆。 任何核反应堆都只能在飞行器到达远离地球的安全距离的稳定轨道后才能启动。 它的燃料在发射过程中将以惰性状态安全存放。
三种等离子体推进系统已经足够成熟，可以用于远程任务。 使用最多的一种，也是为“黎明号”提供动力的一种是离子驱动器。
离子发动机是最成功的电力推进概念之一，其根源可以追溯到美国火箭先驱罗伯特·H·戈达德的想法，这些想法在他一个世纪前还是伍斯特理工学院的研究生时就形成了。 离子发动机能够实现 20 至 50 公里/秒的排气速度[见下页方框]。
在其最常见的形式中，离子发动机从光伏板获得电力。 它是一个矮胖的圆柱体，不比一个水桶大多少，设置在船尾。 在水桶内部，来自推进剂箱的氙气流入电离室，在那里，电磁场将氙气原子的电子剥离，从而产生等离子体。 然后，等离子体的正离子被提取出来，并通过施加在两个电极栅格之间的电场的作用加速到高速。 场中的每个正离子都感受到安装在船尾的带负电电极的强大拉力，因此向后加速。
排气中的正离子使航天器带有净负电荷，如果任其积累，会将离子吸引回航天器，从而抵消推力。 为了避免这个问题，外部电子源（负极阴极或电子枪）将电子注入正向流动中以进行电中和，这使航天器保持中性。
目前有数十个离子驱动器在商业航天器上运行，主要是地球同步轨道上的通信卫星，用于轨道“位置保持”和姿态控制。 之所以选择它们，是因为它们通过大大减少化学推进所需的推进剂质量，为每艘航天器节省了数百万美元。
在 20 世纪末，“深空 1 号”成为世界上第一艘使用电力推进系统从轨道逃逸地球引力的航天器。 然后，探测器加速了约 4.3 公里/秒，同时消耗了不到 74 公斤的氙推进剂（大约相当于一个未开封的啤酒桶的质量），飞过博雷利彗星的尘埃尾部。 这是迄今为止任何航天器通过推进（而不是引力辅助）获得的最大速度增量。“黎明号”很快将打破这一纪录，将其速度提高 10 公里/秒。 喷气推进实验室的工程师最近展示了离子驱动器能够完美运行超过三年的连续运行。
等离子体火箭的性能不仅取决于排气粒子的速度，还取决于其推力密度，推力密度是发动机在其排气孔单位面积上产生的推力。 离子发动机和类似的静电推进器存在一个主要的缺点，称为空间电荷限制，这严重降低了它们的推力密度：当正离子通过离子发动机中的静电栅格之间时，正电荷不可避免地在该区域积累。 这种积累限制了驱动加速的可实现电场。
由于这种现象，“深空 1 号”的离子发动机产生的推力大约相当于一张纸的重量——几乎不是科幻电影中轰鸣的火箭发动机，更像是需要两天才能从零加速到每小时 60 英里的汽车。 然而，只要人们愿意等待足够长的时间（通常是几个月），这些发动机最终可以达到遥远旅程所需的高 delta-v。 这种壮举是可能的，因为在没有任何阻力的太空真空中，即使是微小的推动力，如果不断施加，也会导致高推进速度。
一种称为霍尔推进器的等离子体推进系统[参见右侧方框]避免了空间电荷限制，因此可以比同等尺寸的离子发动机更快地（通过其更大的推力密度）将飞行器加速到高速。 自 20 世纪 90 年代初以来，这项技术在西方越来越受欢迎，此前在前苏联经历了三十年的稳步发展。 霍尔推进器很快就可以承担远程任务了。
该系统依赖于埃德温·H·霍尔于 1879 年发现的基本效应，当时他还是约翰·霍普金斯大学的物理学研究生。 霍尔表明，当电场和磁场在导体内部垂直设置时，电流（称为霍尔电流）会沿垂直于这两个场的方向流动。
在霍尔推进器中，当内部正极阳极和位于设备外部的负极阴极之间的放电穿过设备内部的中性气体时，就会产生等离子体。 然后，产生的等离子体流体通过洛伦兹力从圆柱形发动机中加速喷出，洛伦兹力是施加的径向磁场和电流（在本例中为霍尔电流）相互作用产生的，该电流在方位角方向上流动，即在围绕中心阳极的圆形“轨道”中流动。 霍尔电流是由电子在磁场和电场中的运动引起的。 根据可用功率，排气速度可以从 10 公里/秒到 50 公里/秒以上不等。
这种形式的电力火箭通过加速整个等离子体（包括正离子和负电子）来避免空间电荷积累，结果是其推力密度，从而使其推力（以及因此其潜在的 delta-v）是相同尺寸离子发动机的许多倍。 地球轨道卫星上已飞行了 200 多个霍尔推进器。 而正是霍尔推进器使欧洲航天局能够有效地推动其 SMART-1 航天器经济地到达月球。
工程师们现在正试图扩大当今相当小的霍尔推进器的规模，以便它们能够处理更高的功率量，从而产生更高的排气速度和推力水平。 这项工作还旨在延长它们的运行寿命，以满足深空探索所需的多年的持续时间。
普林斯顿等离子体物理实验室的科学家通过在霍尔推进器的壁中植入分段电极，朝着这些目标迈进了一步。 电极以有助于将等离子体聚焦成细排气束的方式塑造内部电场。 这种设计减少了推力的无用非轴向分量，并通过使等离子体束远离推进器壁来提高系统的运行寿命。 德国工程师使用特殊形状的磁场取得了类似的结果。 与此同时，斯坦福大学的研究人员表明，用坚韧的合成多晶金刚石衬砌壁可以显着提高设备对等离子体侵蚀的抵抗力。 这些改进最终将使霍尔推进器适用于深空任务。
进一步提高等离子体推进推力密度的一种方法是增加发动机中加速的等离子体总量。 但是，随着霍尔推进器中等离子体密度的提高，电子与原子和离子碰撞的频率更高，这使得电子更难以携带加速所需的霍尔电流。 一种称为磁等离子体动力推进器 (MPDT) 的替代方案允许使用更密集的等离子体，它放弃了霍尔电流，转而采用主要与电场对齐的电流分量[参见左侧方框]，并且比霍尔电流更不容易受到原子碰撞的破坏。
一般来说，MPDT 由一个位于较大圆柱形阳极内的中心阴极组成。 一种气体，通常是锂，被泵入阴极和阳极之间的环形空间。 在那里，它被从阴极径向流向阳极的电流电离。 该电流会感应出一个方位角磁场（一个环绕中心阴极的磁场），该磁场与感应它的同一电流相互作用，以产生产生推力的洛伦兹力。
一个大约家用桶大小的 MPD 发动机可以将来自太阳能或核能的约一百万瓦的电力转化为推力（足以为超过 10,000 个标准灯泡供电），这大大高于相同尺寸的离子或霍尔推进器的最大功率限制。 MPDT 可以产生 15 到 60 公里/秒的排气速度。 它确实是一个能干的小发动机。
这种设计还具有节流的优势； 可以通过改变电流水平或推进剂的流速来轻松调整其排气速度和推力。 节流允许任务规划人员根据需要改变航天器的发动机推力和排气速度，以优化其轨迹。
对阻碍 MPD 设备性能和寿命的机制（例如电极腐蚀、等离子体不稳定性和等离子体中的功率耗散）的深入研究导致了新型高性能发动机，这些发动机依赖锂和钡蒸气作为推进剂。 这些元素容易电离，在等离子体中产生较低的内部能量损失，并有助于保持阴极冷却。 采用这些液态金属推进剂和包含改变电流与其表面相互作用方式的通道的非常规阴极设计，导致阴极腐蚀显着减少。 这些创新正在导致更可靠的 MPDT。
一个由学术界和美国宇航局研究人员组成的团队最近完成了最先进的锂进给 MPDT（称为 2）的设计，该 MPDT 有可能驱动核动力飞船，将重型货物和人员运送到月球和火星，以及前往外行星的机器人任务。
离子、霍尔和 MPD 推进器只是电力等离子体火箭技术的三种变体，尽管它们是最成熟的。 在过去的几十年中，研究人员开发了许多其他有希望的相关概念，其成熟度各不相同。 有些是间歇运行的脉冲发动机； 有些是连续运行的。 有些通过基于电极的放电产生等离子体； 有些使用基于线圈的磁感应或天线产生的辐射。 它们应用的加速等离子体的机制也各不相同：有些使用洛伦兹力； 有些通过将等离子体夹带在磁场产生的电流片或行进电磁波中来加速等离子体。 一种类型甚至旨在通过由磁场组成的隐形“火箭喷嘴”排出等离子体。
在所有情况下，等离子体火箭的加速速度都比传统火箭慢。 然而，在所谓的“慢而快的悖论”中，它们通常可以通过最终达到比标准推进系统使用相同质量的推进剂所能达到的更高航天器速度，更快地到达遥远的目的地。 因此，它们避免了耗时的引力助推绕道。 正如寓言中缓慢而稳健的乌龟击败了间歇性冲刺的兔子一样，在深空探索时代日益普遍的马拉松式飞行中，乌龟获胜。
到目前为止，最先进的设计可以提供 100 公里/秒的 delta-v，这对于将航天器带到遥远的恒星来说太慢了，但对于在合理的时间内访问外行星来说已经足够了。 一项特别令人兴奋的深空任务已被提出，该任务将从土星最大的卫星土卫六泰坦上带回样本，太空科学家认为土卫六的大气层与很久以前的地球非常相似。
来自泰坦表面的样本将为研究人员提供一个难得的机会，以寻找生命化学前体的迹象。 这项任务对于化学推进来说是不可能的。 而且，在没有航程中推进的情况下，这次旅程将需要多次行星引力辅助，这将使总行程时间增加三年以上。 配备“能干的小型等离子体发动机”的探测器将能够在更短的时间内完成这项工作。
注：本文最初印刷时的标题为“电力火箭的新曙光”。