长贴，防断层！

离子发动机、光子发动机、霍尔推进器......莫急，咱们先给这些充满科幻色彩的概念划一条边界。
截止今天为止，人类所有的火箭发动机，都是依靠向外扔东西产生的反作用力获取动力，学术点说就是动量守恒定律。
现有的物理理论，对引力空间的认知水平和神棍差不多，完全不存在动量守恒之外的发动机原理。
因此在很长一段时间内，发动机还得靠扔东西产生动力，扔得越快，动力越大。
非常抱歉，混了这么多年还是牛顿第三定律。

1、火箭极限
所以，但凡想上天的发动机，都是围绕“如何更快地扔燃料”而设计的。
比如飞机发动机，为了扔得更快，就拼命倒燃料，燃烧需要空气，于是就在发动机里装了一台抽风机。但是空气的含量只有20%，就算抽风机把空气压缩成液体塞到燃烧室里，其实也没多少氧气，所以燃料喷射速度并不快，只有每秒几百米，这对火箭来说简直就是塞牙缝。
火箭发动机自带纯氧，燃料当然更充分，燃料喷射速度能达到2-5km/s。可惜这么多年过去了，最好的燃料依然还是液氢液氧，想要更快，就得用炸药了。
炸药的爆炸速度一般是7km/s，不过用炸药当燃料，一般人可吃不消。
总的来说，如果不考虑尚未实用的全氮阴离子盐，这大概就是化学燃料的极限了。

说得有点抽象，本僧来秀一把硬核计算。假设把20吨货物送到近地轨道，不考虑空气阻力、势能和火箭干重：
若燃料喷射速度是600m/s，则需要1000万吨燃料。这是飞机发动机的水平。
若燃料喷射速度是2.5km/s，则需要451吨燃料。这是当前主流火箭的及格线。
若燃料喷射速度是5km/s，则需要77吨燃料。接近当前化学燃料的理论极限。
若燃料喷射速度是30km/s，则需6吨燃料。霍尔推进器的喷射速度。
若燃料喷射速度是300km/s，则需534公斤燃料。据说这是仅靠现有技术就能压榨出的离子发动机的全部潜能。
不过理论上，只要电压足够大，离子可以无限接近光速，比如对撞机能把粒子加速到光速的99%以上，若是把这当成发动机喷射燃料的速度......把20吨货送到近地轨道，仅需532克燃料。
前景算是很美好了，下面该倒苦水了。

2、离子发动机
你可能想不到，像离子发动机这么科幻的设备，居然在1959年NASA的考夫曼就搞出来了。

考夫曼与他手中的离子推力器

其大概原理和电磁炮差不多，如下图：先将汞注入电离室，然后电子枪注入电子，用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子，汞离子呈正电，用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力。

在出口附近再装一把电子枪， 向离子束注入电子，使其中性化，恢复成原子。不然带电离子会沾满整个航天器，发动机内部也会积累电子产生静电，各种麻烦。

简单来说，前面用电子枪电离，后面用电场加速，原理一目了然。不过考虑到推进效率和腐蚀性，现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙。

1998年美国“深空1号”彗星探测器首次将离子发动机作为主力推进系统应用在深空飞行，发动机自重只有8公斤，仅携带82千克氙就进行了20个月的飞行。

电离不一定非得用电子轰击，比如把盐扔到水中就可以得到氯离子和钠离子，还比如，微波也可以直接电离气体。
2019年有个大新闻，日本隼鸟二号探测器在3亿公里外的小行星成功取样，用的就是微波离子发动机，采用微波电离。

在小行星降落、采样、上升，一气呵成

离子推进器的原理和结构并不复杂，但问题也很多。比如后面正负极的加速格栅就很碍事，不但效率不行，还得经受高速离子的冲击腐蚀，对材料要求贼高。
于是，大家就想起了霍尔。

然后呢？没了

3、霍尔推进器
相比原理单纯的离子推进器，霍尔推进器的原理就有些烧脑了，小盆友们看出点感觉就行。
先说下霍尔效应：电流在磁场中通过时，电子或离子会横向移动，导致导体有个横向的电势差。就好像长江水流有个横向的作用力，使南岸的水位比北岸的高。
这样的好处是，当电子（负电）和离子（正电）混在一起时，可以利用霍尔效应分开，做到一边电离一边加速。也就是说，霍尔推进器把电离部分和加速部分合到了一起，也就是把磁场和电场合到一起，舍弃了原先碍事的加速格栅。

为了让混在一起的电子和离子各司其职，磁场和电场的设计显然更为精巧，喷口从一面筛子变成了一个环形结构。

4、八仙过海
离子推进器和霍尔推进器是最主流的两类应用，两者差别一目了然。

原理再调整一下，还能分出很多类型，比如：脉冲等离子体推进器、磁等离子体推进器、电弧加热推进器等等。
基本思路都是先把原子电离，然后用电场轰出去。至于原理么，本僧只负责把这组德文图片补齐，能领悟多少就看阁下造化了：

不过说实在的，因为本质上都是折腾离子，所以笼统地称为”离子推进器“也没什么不妥。还有，发动机、推力器、推进器，只是叫法不同，都是一个意思。
离子推进器有个优点是不挑食，易电离的原子都可以作为推进剂。氙是当前主流推进剂，但人家毕竟是稀有气体，很金贵的。所以其他推进剂也很热门，如锌、氮、碘、镁、铋等，光谱都不一样，煞是好看。

5、积跬步至千里
离子推进器虽然喷口速度比化学发动机快一个数量级，但喷出来的东西实在太少，算到最后推力实在小的可怜，所以都用”毫牛“做单位，和放屁的力气差不多。
因此从地面到太空还得靠化学火箭，到了太空才是离子推进器的舞台。
1998年美国深空1号，离子发动机喷口速度接近30km/s，但工作一整天只能喷100克燃料，仅仅给卫星增加了10m/s的速度，算下来推力只有90毫牛，相当于9克的重量。
好在这玩意儿实在持久，累积工作14000小时，期间各种加速减速，与小行星你来我往，战功硕硕。

离子推进器其实算不上很黑的黑科技，深空飞行已经普遍采用。一般而言，离地球200万公里开外就算“深空”，在这种地方，笨重的化学火箭就是根废柴。
2007年美国的Dawn黎明号小行星探测器，3台离子推进器，推力92毫牛，累积飞行11年69亿公里。
2018年欧洲宇航局发射的BepiColombo水星探测器，4台离子推进器，合计推力290毫牛，计划飞行7年90亿公里。
欧洲SMART-1尽管只是探测月球，也使用了离子发动机为主推进器。
还有从3亿公里外的小行星上取样品的隼鸟号，屁股上4台离子推进器格外醒目。

除了深空飞行，在地球附近的变轨爬坡，也不乏离子推进器的身影。因为离子推进器靠电运用，所以也叫电推。
2015年SpaceX发射了两颗全电推进的通信卫星，安装了4台XIPS-25离子推进器，推力165毫牛。