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我们继续来说离子推力器，今天的话题是离子推力器的推进剂。理论上，只要是可以被电离的物质，都可以作为电推进的推进剂。比如说，欧洲正在开发可以利用地球大气层顶端的稀薄气体，主要是氧气和氮气作为推进剂的电推进系统。不过，目前的电推进系统使用最广泛的还是氙气，那么这是为什么呢？
昨天我们说到了比冲这个概念，今天就不赘述了，建议各位老板先收看昨天的节目，事实上，电推进产生的比冲要比化学推进高1-2个数量级，所以推进剂所含的化学能就不重要了。昨天说到，电推进需要将推进剂电离后再实现加速，而电离显然需要消耗能量，这部分能量就占到了离子推力器所消耗能量的很大一部分。所以对于电推进来说，需要的不是含化学能高的推进剂，而是比较容易被电离的推进剂，一般来说，理想的推进剂是容易被电离、具有较高的质量/电离能比的物质。另一方面，电推进技术的核心竞争力就在于它能续很长时间，所以就不能因为推进剂具有腐蚀性反而使得自己不能续了，所以推进剂还要不容易对推力器造成腐蚀，也不会对飞船造成污染。如此看来，氙气就非常合适了。
氙作为一种惰性气体，化学性质很不活泼，极不容易与其他物质发生反应，所以不会对电子设备、传感器等造成影响，使用起来方便、安全可靠。而在各种惰性气体中，氙气相对来说是比较容易电离的，这是因为，氙的原子序数较大，这就意味着它的原子半径较大，外层电子离原子核比较远，受到原子核的吸引力就比较弱，所以相对来说容易电离。
此外，氙气还有一个很有意思的特点，那就是这哥们可以在常温下达到“超临界”状态，也就是说，随着压力的增加，其密度也随之增加，达到接近液体的密度，但它的黏度和扩散性质等可以依然接近气体。通常情况下，气体要液化后密度才会明显变大，以便于储存，但电推力器工作时，推进剂需要是气态，如果是液化后存储的，还要使之气化，这样无疑就增加了复杂性，也消耗了能量。而对于氙气来说，在20℃以下、500万帕的压力下就可以实现超临界状态存储，虽然不是液态，但密度却可以达到每立方厘米1.2克，比液体水的密度还高，这样存储和使用就方便得多。
那么除了氙气之外，还有没有其他物质也适合作为电推力器的推进剂呢？虽然理论上来说，只要能够电离、化学性质不活泼的物质都可以，但不同的物质也各有其优缺点。虽然电推进不关心推进剂所含的化学能，但在寻找合适的推进剂时，还是要关心它的化学性质，最重要的就是不能活泼。既然惰性气体不活泼，所以我们就可以首先从惰性气体家族中寻找。同样作为惰性气体的氪，在大气中的含量远远超过氙，所以其成本只有氙的几分之一。但氪的储存问题不太好解决，而且相对来说，氪也比较不容易电离，因为它的原子比氙原子小，外层电子离原子核较近，电能比比较高。既然在氙上面的氪不太合格，我们再来看看在氙下面的，原子序数更大的氡。氡显然比氙更容易电离，但可惜的是这哥们具有较强的放射性，对航天员或电子器件可能产生不利影响。
上下捋完了之后，我们再来看看左右。周期表中排在氙右边的元素，比氙原子序数大1的是铯，铯属于碱金属，它的熔点不是很高，常温下可以以液态形式存在。碱金属的电离能都很低，但是它们的化学性质很是活泼，在空气中很容易氧化，所以不便于使用，事实上在电推进的早期，铯也曾被使用过，后来被放弃了。周期表中排在氙左边的是原子序数比氙小1的碘，碘属于卤族元素，也比较容易被电离，而且储存密度比较高，不过它的化学性质也很活泼，具有较强的氧化性。
目前来看，在未来很有希望作为新的推进剂的，就是在常温下为液态的汞。汞比氙还要容易电离一些，而且汞在地球上的含量高，很容易从矿物中提取。另外，汞离子的质量较大，综合效率较高。汞还有一大优势，这就是密度，液态汞的密度达到了每立方厘米13.6克，比钢还要高，所以汞的储存密度是氙的十几倍。不过在现阶段，将汞作为推进剂大规模应用还不太现实，原因就在于使用时要将汞加热变成汞蒸汽，这会大大消耗能量，而它更大的缺点则是有毒性，这要是整不好漏了可就毁了。不过科学家认为，在未来的深空探测中，汞还是很有可能发挥出它的优势的。
好了最后一个话题，电推进技术擅长做什么。首先就是，电推进适合于长时间连续工作的场合，电推进系统的寿命远远高于化学推进，目前至少可以达到上万小时，而新型电推进系统连续工作个数年也没问题，典型的007工作制。相比之下，化学推进一般只能工作几个小时，用于卫星发射的火箭，甚至是按分钟来计算的。所以，大部分电推力器都是用于长时间慢慢变轨，或是用于抵消空气阻力对近地轨道上人造卫星高度的影响。比如说，现在通信卫星很多已经实现了全电推进，通信卫星的位置相对固定，所以只需要做好位置的保持就行了，这种任务用电推进显然更有优势。
当然了，深空探测才是电推进技术大展身手的地方。利用电推进，使用一个较小的航天器就可以完成以前需要很大的航天器才能完成的任务，比如说黎明号只有不到1吨重，仅携带了约400千克推进剂，就完成了2个天体的环绕观测。如果以后人类还要探测木星以及其他天体，用化学推进的话，只能是掠过木星，然后再飞往其他天体。这是因为，航天器的燃料不足以使其减速进入环绕木星的轨道后再加速飞出来。但如果使用高效率的电推进，不但可以环绕木星进行详细的探测，甚至还可以把它的几十个卫星都挨个仔细看一看。
除了作为航天器的主动力之外，电推进还可以用于航天器高度、姿态的精细调控。比如说在太空上探测引力波的LISA，就搭载了推力只有微牛级的微型电推进装置，探测引力波对精度的要求极高，而电推进技术正可以对航天器进行精度极高的控制，这么细的活儿是化学发动机无法完成的。
LISA（激光干涉空间天线）
总之，人类迈向太空的脚步永远不会停止，电推进技术也正处于高速发展之中，我们将会看到越来越多，也更为先进的电推力器冲上云霄，它们将继续承载着人类的梦想，驶向茫茫太空的下一站。
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