東城觀星：解讀碘動力航天器，碘成為電推進發動機的新燃料

應粉絲要求，講解一下“碘動力離子發動機”。世界第一個碘動力航天器，是中國公司生產的北航空事衛星1號，2020年11月6日用中國的長征6號火箭在太原發射場發射升空的，在軌已經有一年多的時間了。但是，這個北航空事衛星1號，發動機並不是國產的，而是法國ThrustMe公司生產的

NPT30-I2電推進發動機，這款發動機用碘來做推進劑

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一、電推進發動機

隨著中國空間站的升空，國內民眾對電推進發動機有了初步的認知，因為中國空間站是世界上第一個使用電推進發動機的空間站。當然，也有很多網友並不清楚電推進發動機的工作機理。認為既然是電推進發動機，那就是用電的，不需要燃料。用電是沒錯的，但同時也是有“燃料”的，只是這種燃料應該叫推進劑或者叫推進工質，它並不會發生化學燃燒。

中國空間站的電推進發動機和世界上絕大多數的電推進發動機一樣，使用稀有氣體氙來做推進劑。氙在電場的作用下變成等離子體，然後在磁場和電場的作用下噴出發動機產生推力。雖然氙氣不會著火，但是變成等離子體的氙氣也是可以發光的，跟火一樣，所以電推進發動機也是噴火的。

電推進發動機比衝非常高，特別節省燃料，同樣的任務只需要攜帶化學燃料發動機燃料的十分之一甚至更少。所以被認為是未來太空探測的主流發動機。目前這類發動機的最大問題是推力太小，我前面的文章和影片已經介紹過了，這裡就不再贅述。

二、為什麼主流電推進發動機都用氙氣呢

為什麼電推進發動機要用氙氣來做推進劑，而不用其他物質呢？因為它有很多優點，是其他物質所不具備的。

首先，它的分子量大，工作效率高，有利於產生更大的推力。簡單來理解，相同溫度下，越小的分子，運動越快，表現到電推進過程中來，小分子的物質容易亂竄，不按規矩往外噴，既會損失能量，又會增加發動機內壁的燒蝕。相對來說，Xe分子比較大，這種亂竄效應比較小。同時，要想產生相同的推力，在電功率相同的情況下，分子越大，需要的燃料越少，工作時離子之間的碰撞越少，越容易控制。

其次，Xe的電離能小，更容易發生電離，發動機的溫度不至於過高。同時，由於電離能小，失去的電子，再要回來的慾望也就比較小，相應地對發動機內壁的腐蝕性也比較小，使用起來比較安全。

第三，Xe是氣體，輸送方便，發動機執行簡單。如果是固體，需要加熱變成氣體，才能送到推力器裡工作。如果是液體，又需要有一定的壓力才能送到推力器裡工作。氣體就不一樣了，只要氣瓶有一定的壓力，一開閥門就可以流到推力器，不需要輔助工具。這樣整個發動機的結構就簡單多了。

第四，跟其他氣體比，它的沸點比較高，不需要太大的壓力就可以變成液體。相對來說，用來儲存氙氣的氣罐不需要太高的壓力，氣罐生產比較簡單、重量也比較輕。

雖然氙氣本身很貴，由於有上面這些特點，目前仍然是最常用的電推進工質。雖然很多人建議改用氪氣更便宜，比衝還更高，但還是不能很好地替代氙氣。

三、碘做電推進發動機工質

鋪墊了這麼多，也該正式說說碘了。在元素週期表上，碘和氙緊挨著，形成離子後，兩個質量差不多，性質相差也不大，比氪要好多了。所以用碘來代替氙還是很有優勢的。

1。碘的優勢

碘替換氙氣充當電推進的工質，似乎突然顯得高大上了。其實，很早以前就有人在研究用碘來做推進工質，這次只是第一次完成了在軌試驗。我們來簡單說說這個碘做推進工質的優勢。

首先，碘的生產成本低，比氙氣便宜多了。搞航天也是需要考慮成本的，工質越便宜越好。

其次，碘是固體，儲存方便。氙氣必須放到一個氣罐裡面儲存，還需要加壓。碘則不需要，它本身就是固體，放到一個地方就行，不需要加壓。這樣一來，佔地方就會非常小。北航空事衛星1號一共才20公斤，如果裝上個大氣罐，就會變很大，用碘電推進發動機剛剛好。

使用NPT30-I2電推進發動機的衛星

NPT30-I2電推進發動機

第三，碘電推進發動機，可以預裝燃料，直接交付使用，客戶使用更方便。對於用氣體的發動機來說，往往都需要在發射前灌裝燃料，不能長時間儲存。這對於使用者來說，還是增加了不少麻煩的。這也正是固體火箭和液體火箭的主要區別。

第四，相對於其他固體來說，碘的沸點很低。碘的沸點低，只需要簡單加熱，碘就可以直接昇華成氣體，透過管道就可以像氙氣一樣進入推進器了，使用起來也算是比較方便了。

這麼多好處，使得碘電推進發動機未來的應用前景非常廣泛，尤其是像北航空事衛星這樣的小衛星特別適用。將來發展深空探測，基於碘工質的電推進發動機也有一定的優勢。

2。碘也有缺點

有朋友可能會說了，這麼好的推進工質，為什麼早沒有發現啊？其實，很早以前就有人開始研究碘工質了，之所以剛開始正式使用，是因為這種工質還是存在一些缺點的。

第一個缺點，就是因為它是固體。既然是固體，那就需要加熱才能變成氣體。加熱變成氣體，說起來簡單 ，但實際實施還是會把發動機系統變複雜很多的。不僅要對碘進行加熱，整個輸送管道都需要加熱，否則碘很容易黏到管道上，積累多了，就把管道給堵了。

第二個缺點，碘是有腐蝕性的。不管是金屬還是塑膠，都會被碘腐蝕，就算我們常用的不鏽鋼一旦遇到碘蒸氣，也一樣會慢慢生鏽的。我就經歷過櫃門不鏽鋼合頁被碘給腐蝕爛掉的事情。所以儲存碘的空間和輸送碘蒸氣的管道都需要做好防腐蝕的措施。

第三個缺點，碘變成等離子體以後，其陽離子的腐蝕性也比氙的陽離子更強，推進器內壁和電極更容易被腐蝕。換句話說，如果用碘來做推進劑，發動機的壽命會比較短。另外，這些噴出去的碘留在空氣中，對其他衛星也有可能產生危害，畢竟是有腐蝕性的。

所以說，雖然說碘電推進發動機的實用是一個重大的突破，但並不是說以前的氙發動機就該被淘汰了。兩種發動機各有優缺點，總體來說在未來相當長的一段時間內，使用氙氣的電推進發動機仍然會是主流。

補充一句，除了本文提到的氙氣、氪氣、碘以外，還有一種推進工質前景非常大，就是金屬鉍。據研究，使用金屬鉍做推進工質的電推進發動機，可以把比衝提高到8000秒以上，這可是火箭發動機的20多倍啊，也遠高於氙氣、氪氣和碘做推進工質的電推進發動機。氙氣電推進發動機最高比衝只做到了3500秒左右。

好了，就說這麼多吧，覺得長見識的朋友，記得關注東城觀星。