离子引擎就是使用电离气体作为推进剂的飞船推进设备，与太阳帆一道，都属于电推进家族。它也是目前性能最好、最成熟的电推进系统。 最早的离子引擎于1960年左右由NASA的Glenn研究中心制成，但之后一直处于试验阶段，1998年，美国彗星探测器"深空1号"首次将离子引擎作为主力推进系统应用在深空飞行。日本于2003年发射的隼鸟号小行星探测器使用的也是离子推进器。 早在1974年相关院所就开始研制离子电推力系统。2012年10月，我国发射的首颗民用新技术试验卫星"实践9号"就采用了510所研制的离子电推进系统。 目前，NASA的最新一代离子推进器的功率达到7KW，而中国电推力器的功率达到1KW至5KW量级。中国空间技术研究院计划在2020年完成50千瓦量级大功率推力器的关键技术攻关。

历史沿革

早在1906年，现代火箭之父罗伯特·戈达德即已考虑过不通过高温而将带电粒子加速的可能性。这可以被认为是有关离子推进的早期理论工作。

1930年代，大名鼎鼎的火箭专家维纳·冯·布劳恩在其导师赫尔曼·奥伯特的指导下讨论了电推进的可能性，而后者曾在他的一本书中花费了整整一个章节研究电推进问题。赫尔曼·奥伯特(Hermann JuliusOberth,1894～1989)是与齐奥尔科夫斯基和戈达德齐名的航天先驱,他有关火箭推进的经典著作,被整整一代工程师视为航天领域的"圣经"。

二战后，当冯·布劳恩继续研究V-2火箭时，他同时也在考虑星际飞行的可能性。他让同事Ernst Stuhlinger回顾Oberth当年的工作，这却使Stuhlinger为电推进的概念所深深吸引而不能自拔，终成一代电推进技术的权威。/n在1955年国际宇航大会上发表的一篇文章中，Stuhlinger认为，与传统的化学推进技术相比，电推进系统的发射质量与最终入轨质量之比要小得多。如果采用电推进，无疑比化学燃料效能高得多，星际旅行的可能性也大大提升。/n1958年，美国陆军弹道导弹部门签定了有关电推进的第一个合同。两年后，NASA的Marshall飞行中心委托Hughes实验室进行30千瓦离子引擎的研制，并于第二年作了演示。同时美国无线电公司的航天电子部也受NASA之托，研制出一批用于搭载引擎的太空舱，每个太空舱都能搭载两台引擎，以测试不同的推进剂。1964年，美国的SERT 1卫星携带了两台离子引擎入轨进行测试，其结果是一成一败。

两个探测器将结合起来由亚利安5号运载火箭发射升空，使用日本小行星探测器“隼鸟”也验证过的高效离子引擎，从地球出发飞行90亿公里，于2025年底到达水星附近。之后两个探测器分离进入环绕水星的不同轨道，用一年时间收集信息。

但随着登月竞争的白热化，NASA将研究重点转向建造使用化学燃料为推进剂的重型运载火箭上。直到1992年，NASA Solar Electric Power Technology Applications Readiness计划才重拾当年电推进的概念，决定研制氙离子推进引擎。1996年至1997年间，喷气推进实验室在其真空室中测试了一台由Lewis中心设计制造的氙离子引擎原型机，引擎平稳运转了8000小时。有了这一成功经验，该技术随即被Deep Space 1计划采用。

工作原理

离子引擎运转的首要条件就是制造离子气体。这通常需要由电子枪来完成。管状阴极发出的电子束被射入经磁化的电离室，与充在室中的气体原子碰撞，令原子电离成一价正离子。如上图所示，电离室的另一端装有一对金属网，网上加有上千伏（Deep Space 1的所加电压是1280伏）的电压，可将离子加速到每秒30米的速度，并从尾部排出，形成离子束，由此产生推力。在这一点上，离子推进技术与传统的化学推进技术一致：推力都是靠喷射物质产生的，只是令物质喷出的方式不同而已。

至于电子枪的电源，一般由飞船的太阳能电池板充当即可，这样的结构被称为太阳能——电推进系统，至今为止采用离子引擎的几项任务都使用此系统。

如果想让离子引擎正常工作，还有个疑难问题必须解决：引擎持续喷射出正离子束，会将带有负电的电子留在其中，这就形成了引擎中强大的负电场，严重阻碍了正离子的继续排出，电子积累足够多的话，甚至会将排出的正离子再吸引回来。解决此问题的方案是在喷射离子的排气网附近再安装一支电子枪作为电中和器，持续向离子束中注入电子，既可以中和离子束，又避免了引擎过度带电。

当然在实际使用中，还要考虑许多具体细节，比如形成持续离子流的方法。在发展早期，NASA Lewis中心的Harold Kaufman发明了电离汞蒸汽的设备，当时已到Marshall中心工作的Stuhlinger则研制出了利用钨或铼制成的表面电离铯原子的方法。不过Deep Space 1和SMART-1都使用氙作为推进剂，原因除了氙的推进效率更高之外，更考虑到惰性气体不易对探测器的设备造成损坏，比汞和铯强上很多。尤其是铯，作为活动性最强的碱金属，其强腐蚀性对设备的耐用性和稳定性也是个很不利的因素。

另外，还可以利用微波来电离气体，这样的系统叫做微波离子引擎。旨在探测小行星糸川并取样返回的Hayabusa探测器即安装了此种引擎，它亦采用氙作为推进剂，除去离子化设备之外，其他部分与普通离子引擎无甚差别，不过没有查到其电中和器具体使用的是什么装置，未敢定论。

各探测器的离子引擎。上左：Lewis中心设计的引擎正在JPL进行测试，蓝光由带电离子发出（图片提供：NASA / JPL）。该引擎是Deep Space 1的引擎原型。上右：Deep Space 1的离子引擎，排气网安装在图中央的支撑环内（图片提供：NASA / JPL）。下左：测试中的SMART-1引擎（图片提供：ESA）。下右：Hayabusa的微波离子引擎，其原形机在测试时曾连续运转了超过18000小时（图片提供：ISAS）。

其实离子引擎的工作原理并不很复杂，之所以长期没能投入实际使用，不仅仅是由于阿波罗登月计划的干扰，更有新技术的可靠性问题，而各探测任务的参与者往往不希望承担新技术带来的不必要风险。

举例来说，虽然理论上讲可以用电子枪解决离子的中和问题，不过要检验这一方法的有效性，必须要排除离子束与真空区域边界相互作用的影响，这在地球上是几乎不可能做到的，所以其效果究竟如何一直不能定论。而作为NASA新千年计划的第一个组成部分，Deep Space 1的主要目的之一就是测试包括离子引擎在内的十余项新技术，科学探测反倒在其次；SMART-1和Hayabusa也为各自的机构承担着类似的技术测试任务，它们自然就可以较少地顾及新技术失败的风险了。