“离子发动机”是一种新型的宇宙飞船用的发动机，其原理是设法使探测器内携带的惰性气体氙（Xe）的中性原子变为一价离子，然后用电场加速这些氙离子使其从探测器尾部高速喷出，利

Question

“离子发动机”是一种新型的宇宙飞船用的发动机，其原理是设法使探测器内携带的惰性气体氙（Xe）的中性原子变为一价离子，然后用电场加速这些氙离子使其从探测器尾部高速喷出，利用反冲使探测器得到推动力．由于单位时间内喷出的气体离子质量很小，飞船得到的加速度很小，但经过很长时间的加速，同样可以得到很大的速度．美国1998年发射的“探空一号”探测器使用了“离子发动机”技术．已知“探空一号”离子发动机向外喷射氙离子的等效电流大小为I=0.64A，氙离子的比荷（电荷量与质量之比）k=7.2×10⁵C/kg，气体离子被喷出时的速度为v=3.0×10⁴m/s，求：
（1）“探空一号”离子发动机的功率为多大？
（2）探测器得到的推动力F是多大？
（3）探测器的目的地是博雷利彗星，计划飞行3年才能到达，试估算“探空一号”所需携带的氙的质量；
（4）你认为为什么要选用氙？请说出一个理由．

Answer 1

（1）设加速粒子的电压为U，粒子被加速的过程：
eU=(1)/(2)mv2
所以：U=(mv2)/(2e)=(v2)/(2k)
发动机的功率：P=UI=I•(v2)/(2k)
代入数据得：P=400W
（2）根据动量定理F•△t=△p=△mv．
而：I=(△q)/(△t)
所以：F=(Iv)/(k)
代入数据得：F=0.027 N．
（3）探测器每秒发射的氙离子的质量为：(△m)/(t)=(Im)/(e)    
探测器来回3年，需发射氙的总质量：△m=(△q)/(k)=(I△t)/(k)=82kg 
（4）①氙是惰性气体，性质稳定，比较安全；②氙的相对原子质量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较大；③没有天然放射性，使用安全；④在常温下是气态，便于贮存和传输．
答：（1）“探空一号”离子发动机的功率为400W；
（2）探测器得到的推动力F是0.027kg；
（3）探测器的目的地是博雷利彗星，计划飞行3年才能到达，估算“探空一号”所需携带的氙的质量为82kg；
（4）你选用氙的理由：①氙是惰性气体，性质稳定，比较安全；②氙的相对原子质量较大，在同样电压加速下得到的离子的动量较大，速度较小；③没有天然放射性，使用安全；④在常温下是气态，便于贮存和传输．