提到离子发动机，就不能不提美国的深空1号探测器。虽然离子发动机过去在卫星上经常使用，但都是作为辅助发动机，用于姿态调整或者轨道维持;而深空1号第一次将离子发动机作为主发动机使用。深空1号的离子发动机也是迄今为止将电能向推力转化效率最高的，在太空中运行寿命最长的，也是比冲量最高的，比冲量超过3,000秒。

这种离子发动机追根溯源可以推到上个世纪的60年代，但到现在仍可以满足美国宇航局的两个目标，也就是大大减少旅程时间和初重，以低成本更快地完成行星际任务。而1998年10月24日发射的深空1号探测器的任务除了测试12项先进科技(其中包括作为主发动机的离子发动机)，就是为了完成探测小行星Braille和遥远的彗星Borrelly这样的行星际任务。在圆满完成任务后，深空1号于2001年12月18日报废。

离子发动机工作的核心就是对喷出的气体进行离子化，这一般是以电子轰击的方式来实现。通过加热和电场加速的方式将电子从阴极向阳极发射并进入放电室，气体推进 剂氙同样被注入放电室，并在放电室施加磁场，增加氙原子和电子碰撞的可能性。碰撞后，氙原子核周围的部分电子将被击开，使得氙原子被电离，带上正电。这种离子非常活跃并且移动得非常快。

位于放电室后边的高压栅极将最后产生推力，方式是制造静电场，对离子生成拉力让它们向栅极方向加速，当它们通过后，速度将达到每秒31.5公里，并被集中成一个离子束最终从飞船尾部喷出去，深空1号尾部喷射出的蓝色离子火焰。

需要注意的是，在最后阶段一个中和器收集多余的电子并把它们注入喷出的离子束，这样可以避免飞船被带上大量的负电荷。

深空1号探测器是美国宇航局新千年项目的第一艘飞船，它的离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量是3,300秒，每天消耗100克氙推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25~32公里。深空1号由德耳塔火箭送上太空，然后由离子发动机推动。最初发动机只开动了4小时就突然停机，但后来恢复了运转并从此一直顺利运行，其最终的工作时间超过14,000小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。而最初发射深空1号时，只计划运转200个小时以证明这种离子发动机是可行的。美国宇航局在地球上实验室中，和深空1号发动机一样的离子发动机甚至持续工作了更长的时间。

深空1号离子发动机的工作方式只是许多方式中的一种而已，这种方式被称为Ion Engine，作为离子发动机的代表，但使用电来产生离子浆并进一步推动飞船的具体方式还有好多:

利用轴向电场(axial electric field)来加速离子。一个辐射磁场和轴向电场相互作用来产生方位角霍尔电流(azimuthal Hall current)，这个电流部分限制电子，让放电室中电离化效率比较高。这是个在苏联发展成熟的技术，一般用于卫星姿态稳定。脉冲离子浆推进器(Pulsed plasma thrusters，PPT) 这种方式利用电流弧光，在固体推进剂(几乎总是用特氟隆)中产生快速而可靠的脉 冲燃烧。PPT用于姿态控制效果很好，不过它是利用电来推进的系统中效率最低者之一，推进效率不到10%。磁致离子浆动力推进器(Magnetoplasmadynamic thruster，MPD) 也被称为洛伦兹力加速器(Lorentz-force Accelerator，LFA)，它使用洛伦兹力(磁场和电场共同对带电粒子施加的力)来推动离子。MPD技术已经在实验室中被开发出来，但对它的商业兴趣很低，尽管在理论上它能产生极高的比冲量，因为它和Ion、Hall以及PPT方式不同，不使用电级，使用电级对离子进行加速的方式会使喷出的加速流被位于出口的电子源中性化，从而减低效率。MPD可以稳定运行，也可以脉冲运行。可变比冲磁致离子浆火箭(Variable-specific-impulse magnetoplasma rocket，VASIMR: 《北京青年报》2000年的一篇文章《打造星际飞船新引擎》把这个方式大大吹嘘了一番，认为是未来的方向。其实这种系统只是介于高推力低比冲的传统发动机和低推力高比冲的离子发动机之间的类型，可以在这两者之间调整参数。它也不用电极，而是在发动机前室使用电波来对氢推进剂进行离子化，然后在中室用磁场让其按自然频率绕磁场旋转，并使用无线电按照同一频率轰击，让温度上升到1千万K，再从后室把旋转变成轴向运动并释放出去。

最后，在离子化方面，日本设想用微波的方式来进行，用微波来击活推进剂气体的电子，之后就是和深空1号一样把离子聚集成束并以静电场加速喷射出去。美国宇航局也采用了日本人的办法测试了新的微波离子发动机，并得出结论认为这种方式可以让发动机工作得更久。

上述各离子发动机的共同特点都是使用电能，利用电来直接电离，或者用电来制造磁场、电波、微波等，然后用它们来对推进剂进行离子化。所以它们也被称为电动推进发动机。日本"隼鸟"号探测器(The Hayabusa Spacecraft) 多灾多难"不死鸟"是对它最好的说明，该探测器装备有化学发动机及离子发动机，两者曾经一度出故障导致仅靠惯性飞行，后离子发动机重点火成功，于2010年6月14日顺利回收，成为在人类历史上首次在月球以外的天体着陆并回归地球的飞行器。是离子发动机优势的力证。

不过就目前来说，还没有将离子发动机用于有人驾驶的飞船的计划，而是将继续用于探测器。近期配备离子发动机的探测器的任务包括到彗星采样，探测土星环，以及在木星的卫星欧罗巴上着陆。在这些远程飞行中离子发动机将比常规火箭发动机更快，例如，在2011年的Rosetta彗星任务中如果选择配备离子发动机的探测器，可以在大约5年左右的时间内取样并返回，而用传统的火箭发动机，单到达那颗彗星就需要花费9年时间。

目前的离子发动机的最大缺点是推重比太小，其推力只相当于一张纸对于你的手的压力，显然这样的发动机无法让飞船和探测器脱离地球的重力场，也无法携带大的负载。但这个缺点却被这种发动机在太空中的表现弥补了，由于它优越的比冲量，它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。换句话说，就是尽管传统的火箭发动机有更高的推重比，但是却以很低的比冲量把燃料在很短的时间内消耗光;而现在的离子发动机能持续运转几月甚至数年，这样，尽管推力小，但能通过长时间的积累达到更高的总冲量(impulse，等于力的平均值与它的作用时间相乘的结果)，并最终达到更高的速度。

离子发动机超长时间的持续工作固然是优点，可以逐渐积累到很高的速度，但这同样是缺点，因为这要求超长时间的持续电力供应。这要求携带一个电力供应装置，目前的方式是使用一个巨大的太阳能电池板，不仅加重重量，而且随着探测器远离太阳，其效率也不断下降。

可以说，目前限制离子发动机发展的瓶颈因素就是电力，由于目前的太阳能电力系统缺乏效率，离子发动机的设计也就只能在低电能的基础上进行。如果我们想往外围的深空继续进发，或者运送更大的载重，就必须解决这个问题，获得更大的电能，至少应该达到以兆瓦计算的 规模，而目前的深空1号最多仅仅能产生2.5千瓦，其中能提供给离子发动机的是2.1千瓦。

对太阳能电力系统进行改进以增加太阳能的利用效率，目前唯一可预期的方式是使用纳米技术，但并不知道需要多久才能发展出有用的技术。所以对于近期来说，唯一的选择就是使用核电系统，目前的技术也能让船载核电系统产生数百千瓦的电能，而且在不远的将来能发展到兆瓦的级别。

在核电系统中，来自原子反应堆的热量可以通过热电转化方式或者热离子转化方式变成电能，这种办法在上世纪60年代就被看作是可以让人类开拓太阳系的技术，而这个方式也有可能提供一个低成本的系统用于太空商业化。

核电系统比太阳能电力系统产生更高的电力，从而可以让离子发动机获得更高的推力，更高的比冲量。虽然推力仍旧比不上传统的火箭发动机那么高，但比冲量方面的优势则很明显，传统的化学燃料火箭发动机的比冲量是大约400秒上下，深空1号通过太阳能电力系统获得的比冲量在3,300秒左右，而利用核电系统的离子发动机可以达到13,000秒。

由于电力充足，核电系统可以让发动机和仪器分享和调配电力。当仪器不需要电力的时候，可以把全部的电力都送给发动机，但需要读取、检测、发送信息时，可以关掉发动机，把电力都调给仪器。这就提供了节约大量重量的可能性。而最大的好处自然是核电系统即使远离太阳也不影响工作效率，从而能在深空工作。

建造VASIMR就是张福林在20世纪70年代提出的主意。它能同时具有化学火箭发动机和离子发动机的能力。传统化学火箭发动机拥有高推力、低比冲，离子发动机则是低推力、高比冲。而VASIMR，它能在高推力、低比冲和低推力、高比冲之间的自由转换，在这两者之间调整参数，所以被称作"可变比冲"。

张福林一直致力于该项目研究，但之后的20多年里他忙于作为宇航员7次进入太空。直到2005年，他从NASA退役组建了Ad Astra火箭公司，试验场就在他的出生地哥斯达黎加附近的航空中心。

突破性成果在2 0 0 8年到来，这就是VX-200等离子引擎测试台，它利用氩气作为推进剂的第一阶段达到了全功率30千瓦。VX-200全方位超越了传统的等离子发动机:比冲在3000~30000秒之间随意转换，也就是喷射等离子的速度在30~300千米/秒，能量转换效率高达67%。张福林说:"用它飞到火星只需39天，这样能节省大量的燃料、食物、水、空气，宇航员也能摆脱长时间的宇宙射线辐射。"

VX-200分为三部分:在前部单元里，首先是把喷出的气体电离生成等离子体，类似于在蒸汽机里烧开水，这是以一种螺旋波射频天线(helicon RF antennas)来实现;中部单元充当放大器，它用电磁波的能量进一步把等离子体加热到几百万度;而尾部单元的磁性喷嘴可将等离子体的能量转化为喷气口的速度，从而产生反向的推力。

张福林解释说，VX-200使用了新的算法来控制和稳定等离子体，主要是控制超导磁场。通常来说，火箭发射时喷射气体温度越高，比冲量就越高。为最大限度利用效能，VASIMR火箭中部单元的温度相当于太阳中心的温度。但是火箭发动机的喷射嘴所能承受的温度有限。喷嘴温度太高，用什么材料是一个问题。和核聚变装置一样，解决的办法是使用磁场。在强磁场，比如超导磁体产生的磁场下，等离子体会以固定频率旋转。发动机的中部单元在磁场控制下让其按自然频率绕磁场旋转，当温度迅速上升之后，再从尾部单元把旋转变成轴向运动并释放出去。所有这些极端变化的环境都要求对磁场和电磁波精准的控制，这是新的控制算法的功劳。截止2009年5月底，VX-200真正上天的原型机已经开始了试验，它能实现从近地轨道到月球轨道的变轨。

在科幻小说中，飞行器总能为星际旅行的全程提供动力。但在现实中，火箭推进器的发动机技术，根本无法实现这一点。

相对于裸露在外的推进剂储箱，化学火箭的发动机看上去很小，但它的胃口很大。"吃得多，干活的效率却不高。"张福林说。这种发动机吞噬掉的海量能源，只在提供短期动力方面有效--储存的燃料很快用完，推进器马上被当成垃圾扔掉。化学火箭的大部分燃料被用来摆脱地球引力，剩余的一点则被用来推动火箭的"太空滑行"。火箭飞往目的地，仅仅是依靠惯性。对于星际飞行来说，这种引擎显然力不从心。

"土星5号"就是典型代表。它的第一级装有2075吨液氧煤油推进剂。一旦发动机点火，它可以在2分34秒内全部"喝"完这些"饮料"。高温气体以2900米/秒的速度喷射，却仅仅够将47吨的有效载荷送上月球。在全部能够产生的3500吨推力中，很大一部分被用来"拖"起火箭自身和2000多吨燃料。所以它的"比冲量"并不高，只有300多秒，表明了它的推进效率的低下。这就是为什么要将一个质量很小的人送上太空，却必须使用一枚巨大火箭的原因。

等离子发动机，或者俗称的"离子推进器"采取了一种和化学火箭完全不同的设计思路。它使用洛伦兹力让带电原子或离子加速通过磁场，来反向驱动航天器，和粒子加速器与轨道炮都是同样的原理。"等离子火箭在一定时间内提供的推力相对较少，然后一旦进入太空，它们就会像有顺风助阵的帆船，逐渐加速飞行，直至速度超过化学火箭。"张福林说。

实际上，迄今已有多个太空探测任务采用等离子发动机，如美国宇航局探测小行星的"黎明号"(Dawn)探测器和日本探测彗星的"隼鸟号"(Hayabusa)探测器，而欧洲空间局撞击月球的SMART-1探测器的目的之一，就是验证如何利用离子推进技术把未来的探测器送入绕水星运行的轨道。

这些已经实用的离子发动机都很迷你，多属于辅助发动机，推力和加速度都很小，要使航天器达到预定的飞行速度，用时极长-SMART-1的等离子体发动机提供的加速度只有0.2毫米/秒方，推力只相当于一张纸对于手掌的压力。这样的发动机，带上一只蚂蚁都无法脱离地球的重力场。

但它们在太空中的表现能够弥补这个缺陷。优越的比冲量，也就是能用更少的燃料提供更多的动力，使它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。"1998年发射的深空1号(Deep Space 1)，由德尔塔火箭送上太空，然后由离子发动机推动。它的离子发动机产生0.09牛顿的推力，比冲量相当于液体火箭的10倍。每天消耗100克氙推进剂，在发动机全速运转的情况下，每过一天时速就增加25~32米。它最终的工作时间超过14000小时，超过了此前所有传统火箭发动机工作时间的总和。"张福林介绍道。

正是这一原因，使等离子发动机成为航天界新的宠儿。等离子发动机中的新秀VASIMR被美国航空航天研究所(AIAA)列为2009年十大航天新兴项目。NASA的新任掌门人查尔斯·博尔登(Charles Bolden)也非常看好VASIMR，NASA向Ad Astra 火箭公司提供经费，希望他们能够完成自己的承诺--让VASIMR在2012年或2013年能够安装到国际空间站上进行点火测试。