我國新一代空間站即將開建，未來將安裝4臺(tái)LHT100型霍爾離子推進(jìn)器，單臺(tái)推力80毫牛，雖然推力很小，但在推進(jìn)原理方面卻比由美國主導(dǎo)、采用化學(xué)推進(jìn)的國際空間站整整領(lǐng)先了一代！

中國天宮空間站構(gòu)型

80毫牛的推力是個(gè)什么概念？一根頭發(fā)絲兒重量約1毫克，如果在地球上，舉起它需要10毫牛，80毫?；魻柾七M(jìn)器只能舉起8根頭發(fā)！那么問題來了：“離子推進(jìn)”、“霍爾電推”都是什么原理，推力這么小，為什么還總說它先進(jìn)呢？人馬君今天和大家聊聊這種神奇的推進(jìn)方式，相信看完之后您就不會(huì)再一頭霧水了！

推力雖小，卻有大用

霍爾電推是離子推進(jìn)器的一種，而離子推進(jìn)器并不是新生事物，它早已應(yīng)用在航天器上。記得嫦娥五號(hào)在執(zhí)行月球采樣任務(wù)時(shí)，總有不少人拿日本的隼鳥號(hào)小行星探測(cè)器跟嫦五對(duì)比，說隼鳥號(hào)由于采用離子發(fā)動(dòng)機(jī)，所以比嫦五更先進(jìn)。這純屬無稽之談。由于推力太小，僅28毫牛，與嫦五的7500牛和3000牛發(fā)動(dòng)機(jī)沒法兒比，如果讓隼鳥號(hào)去執(zhí)行登月任務(wù)，一定會(huì)像某船二號(hào)那樣摔得稀巴爛，返回就更別提了。

飛行了數(shù)億公里的隼鳥號(hào)

但為什么這么小的推力用在空間站上，又要說它很先進(jìn)，是不是太雙標(biāo)了？并沒有！咱們舉個(gè)不太形象的栗子：喜歡打羽毛球的朋友應(yīng)該不少，羽毛球可以暴力扣殺，也可以輕輕地把球推到網(wǎng)前，兩種打法相輔相成，都很有用。如果你用扣殺的力量去放網(wǎng)前球，那就打過頭了，而且殺幾次就會(huì)把力氣用光，后繼乏力。而輕巧的網(wǎng)前小球卻可以很好地控制方向，并且?guī)缀醪粫?huì)累。化學(xué)火箭就如同暴力扣殺，霍爾電推則更像是溫柔的網(wǎng)前小球，推力小有小的好處，它可以用很少的燃料實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的推進(jìn)，還可以更精確的調(diào)整航天器的姿態(tài)。

化學(xué)火箭屬于“大力出奇跡”

這種能力對(duì)大型空間站或衛(wèi)星來說非常實(shí)用。它們本來已經(jīng)在地球軌道上安了家，不用動(dòng)力就能繞著地球轉(zhuǎn)，按說不再需要火箭推進(jìn)了。但近地軌道并不是完全的真空，存在非常非常稀薄的大氣分子。航天器與稀薄大氣產(chǎn)生摩擦，會(huì)損失能量，導(dǎo)致軌道高度越來越低。為了抵消這種效果，需要定期開啟推進(jìn)器，提升軌道高度，防止它墜入大氣層燒毀。

這項(xiàng)任務(wù)可以用自身的或與之對(duì)接的飛船上的推進(jìn)器來完成。由于軌道高度的下降速度極其緩慢，對(duì)時(shí)間窗口的要求沒那么嚴(yán)格。我們可以選擇用大推力的推進(jìn)器工作較短的時(shí)間，也可以用小推力的推進(jìn)器工作較長的時(shí)間，效果差不多。而如果想調(diào)整空間站或衛(wèi)星的朝向和姿態(tài)的話，用小推力裝置反而會(huì)更方便和精準(zhǔn)。此外，一些不需要登陸其它星球的探測(cè)器，像隼鳥號(hào)這種，只要軌道設(shè)計(jì)得好，推力不用很大，也可以使用小推力發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至是離子推進(jìn)這種推力只有毫牛量級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

現(xiàn)在的國際空間站就需要定期提升軌道

從離子推進(jìn)到霍爾推進(jìn)

有網(wǎng)友會(huì)說：我也可以用傳統(tǒng)化學(xué)火箭實(shí)現(xiàn)小推力，干嗎要用離子推進(jìn)器呢？原因在于：消耗同樣多的燃料或工質(zhì)，離子推進(jìn)器能讓航天器得到更多的速度增量，也就是通常所說的“比沖更高”。高到什么程度？在化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，比沖最高的是氫氧機(jī)，能達(dá)到450s左右，而傳說中的核熱推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)能到900s，離子推進(jìn)器現(xiàn)在能達(dá)到1500到3000s，甚至更高。這就意味著燃料的攜帶量可以大大減少，只有化學(xué)火箭的幾分之一，將來有希望降到十分之一，從而使空間站的燃料補(bǔ)給次數(shù)和成本大大降低，如果是衛(wèi)星，還可以減少燃料攜帶量，這省出來的可都是真金白銀??！

科幻作品中的巨型離子發(fā)動(dòng)機(jī)

那么離子推進(jìn)器是如何實(shí)現(xiàn)這么高比沖的呢？這就涉及它的基本原理：與普通火箭向后噴燃?xì)獠煌?，離子推進(jìn)器噴出來的是離子（噴出后會(huì)和電子中和），而且噴出速度非常高，能達(dá)到20至50公里每秒，而火箭噴氣速度最大也只有5公里每秒。在最基本的靜電式離子推進(jìn)器設(shè)計(jì)中，用電子槍發(fā)出電子，將工質(zhì)氣體電離，在后方放置兩塊像打了無數(shù)小孔的正負(fù)柵板，離子穿過柵板時(shí)被電場(chǎng)加速向后噴出，產(chǎn)生推力。只要正負(fù)柵板之間的電壓足夠高，離子就可以被加速到很高的速度。這種離子發(fā)動(dòng)機(jī)看似簡單，后面那兩塊正負(fù)柵板卻很不好做，對(duì)制造和材料要求極高，并且還存在空間電荷限流問題，影響了推力的進(jìn)一步提高。

一種離子發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型

而霍爾推進(jìn)器解決了上述問題，它利用了物理學(xué)中的“霍爾效應(yīng)”。在霍爾推進(jìn)器中，采用環(huán)形噴口和放電室，作為陰極的電子槍在噴口外發(fā)射電子，電子沿軸向電場(chǎng)向陽極運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在徑向磁場(chǎng)作用下，由于霍爾效應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，開始環(huán)向旋轉(zhuǎn)。這些電子與從陽極附近噴出的氣體（一般是氙氣）激烈碰撞，使氣體電離，電離后的離子在電場(chǎng)作用下向后加速噴出，產(chǎn)生推力。霍爾推進(jìn)器比靜電式離子推進(jìn)器的推力密度更高。

霍爾推進(jìn)器原理

比沖雖高，電力供應(yīng)是關(guān)鍵

有心的網(wǎng)友應(yīng)該已經(jīng)能看出來，霍爾推進(jìn)器攜帶的推進(jìn)劑實(shí)際上并不是“燃料”，而是工質(zhì)，它的能源來自電力，需要有強(qiáng)大的電源供電。像空間站或隼鳥號(hào)這種距離太陽不算太遠(yuǎn)的航天器，用太陽能電池板發(fā)電，很完美！我國空間站據(jù)說將使用砷化鎵柔性電池翼，面積大，效率高，可作為霍爾推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的堅(jiān)實(shí)后盾。而如果要前往遠(yuǎn)離太陽的深空，那就得用核電池或更大功率的核反應(yīng)堆電源了。

霍爾推進(jìn)器正在工作

那么有朋友問，霍爾推進(jìn)的推力能變大嗎？這個(gè)比較難，但也不是不可以。我國已經(jīng)研制出了20千瓦功率的型號(hào)，推力達(dá)到牛級(jí)，比空間站上用的提高了十多倍，也許未來可以搞出更強(qiáng)大的霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)，就能大大提升人類在太陽系中的活動(dòng)能力，當(dāng)然，航天器供電也得跟上才行！