2003年9月28日,欧洲航天局发射了一艘有史以来飞行速度最慢的月球探测飞船,名为“智慧1号”。经过漫长的约13个月的飞行,直到2004年11月15日才终于到达预定环月球轨道。
对于距地球只有38万km的月球来说,这一飞行速度实在是太慢了。当年美国“阿波罗号”载人飞船只用了102个小时就走完了这段路程。即使是远在6000万km之外的火星,飞船也只需要8个多月就可以到达目的地。跟它们比起来,“智慧1号”的飞行速度甚至还不如普通汽车的行驶速度。
原因就在于此次“智慧1号”采用了与以往宇宙航天器完全不同的推进系统,即一种全新设计的太阳能氙离子电推进器。目前大多数太空探测飞船都使用化学燃料火箭,即火箭发动机把推进剂的化学能转变为热能,经过喷管的气动热力加速,再转化为喷射燃气流的动能产生推力。化学燃料的优点是可按需要及时提供推力和加速度,缺点是推进剂耗量大,要带足够的燃料,能量效率不高。
而“智慧1号”采用的太阳能氙离子电推进器仅重72kg,飞船携带有一对高效砷化镓太阳能光电池板,当到达太空的时候,这对太阳能光电池板会自动展开并调节角度,始终对准太阳,充分利用太阳能产生的电力把惰性气体氙原子电离,然后用电场将其加速后向后高速喷射,由此产生向前的推力。这种离子电推进器的效率要比普通化学燃料火箭发动机高出10倍,这样它只需携带很少的能量就可以上路,使它拥有更多的空间来装载各种探测月球的仪器。该技术能耗低,能量效率高,利用太阳能为飞船成年累月地提供动力,满足长途星际飞行需要;但动力不强,产生的推力很小,加速很慢。“智慧1号”此次飞行仅携带了52kg燃料,这些燃料一般不会用于飞船加速,而是用于制动。
开发这项航行技术的目的主要是源于对火星之旅的需求。人们对火星之旅向往已久,但是在如此漫长的航行中究竟使用什么样的推进方式一直是航天界争论的话题。有人曾提出太阳能动力火箭方案,就是用抛物面将太阳能聚集起来,把液氢加热到2500℃后高速喷出,以此来产生动力。这种被称为太阳能动力火箭的方式比传统化学能量方式效率提高了许多,“智慧1号”就是在这种设计方案的启发下诞生出来的,而且离子电推进器比太阳能动力火箭能量效率更高。利用装备这种推进系统的飞船来探索水星、火星甚至太阳,费用非常低,所携带的燃料只占飞船总质量的20%。而使用其他类型的发动机,费用至少高出3倍。