開頭

推力只有80毫牛，在地面上差不多就只能吹動(dòng)一張A4紙，卻在太空中竟能夠推得動(dòng)180噸的天宮空間站？

這種不可思議的推進(jìn)器，就是霍爾推進(jìn)器。

這玩意早在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)研發(fā)成功，但這次卻是第一次被中國(guó)人運(yùn)用到載人航天器里面，那么它到底有多厲害？

霍爾推進(jìn)器

霍爾推進(jìn)器的名字源于其對(duì)霍爾效應(yīng)的應(yīng)用，早在1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種電磁效應(yīng)。

當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向，會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。

換句話說，就是帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到某種作用從而引起偏轉(zhuǎn)。

就好比一條路，本來大家是均勻地分布在路面上, 往前行走。當(dāng)有磁場(chǎng)時(shí)，人群可能會(huì)被推到靠右邊行走。

后來基于這個(gè)現(xiàn)象，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)，把一些特殊電子放到環(huán)形放電室中，讓它們與推進(jìn)劑發(fā)生碰撞之后，會(huì)出現(xiàn)電離現(xiàn)象，并形成大量的等離子體。

而這些等離子體在霍爾效應(yīng)的作用下，被迅速加速，并且其在電場(chǎng)中高速噴出時(shí)，還能夠產(chǎn)生一定的推力。

于是離子推進(jìn)器的雛形就出來了。

又過了幾十年，1959年美國(guó)NASA的哈羅德·考夫曼（Harold Kaufman）成功研制出來了這種推進(jìn)器，其電離室的電離方式采用最為簡(jiǎn)單粗暴的電子轟擊，直接利用空心陰極產(chǎn)生的電子束流，將工質(zhì)的電子轟擊出去。

只需要很少的能量就能把東西推動(dòng)起來，NASA覺得大有可為，于是加班加點(diǎn)的想讓其能夠早點(diǎn)運(yùn)用起來。

經(jīng)過NASA工程師的不斷努力，終于在1998年，美國(guó)發(fā)射了“深空一號(hào)”探測(cè)器，首次將離子推進(jìn)器作為衛(wèi)星的主要?jiǎng)恿Γ晒ν瓿闪藢?duì)小行星及彗星的探測(cè)任務(wù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)自重只有 8 公斤，僅攜帶 82 千克氙就進(jìn)行了 20 個(gè)月的飛行。

那霍爾推進(jìn)器呢？別急，它的工作原理與離子推進(jìn)器十分相似。

都是靠電場(chǎng)對(duì)離子進(jìn)行加速，從而得到極高的排氣速度，繼而大幅度提升比沖（每單位推進(jìn)劑生成的力量），但霍爾推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)與電離方式比離子推進(jìn)器要更加高級(jí)先進(jìn)。

比如霍爾推進(jìn)器的磁場(chǎng)是環(huán)形的，這不僅可以防止其與陽(yáng)極室產(chǎn)生的正離子發(fā)生碰撞從而中和，還能夠產(chǎn)生閉環(huán)霍爾漂移，進(jìn)一步約束與加速?gòu)年?yáng)極室中產(chǎn)生的等離子體！

也就是說，它的加速電場(chǎng)與磁場(chǎng)是在一起的，變得更加巧妙高效；而離子推進(jìn)器是獨(dú)立的，電場(chǎng)是前端部分提供的，而磁場(chǎng)是后端部分提供的。

在這個(gè)過程中，需要加入氙、氪等作為工質(zhì)。因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)于其他物質(zhì)而言，更容易與電子發(fā)生碰撞并電離，其次是電離后不易產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)。

跟美國(guó)不同，蘇聯(lián)走的就是霍爾推進(jìn)器的路線，世界上第一臺(tái)實(shí)用的霍爾推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)就是由蘇聯(lián)人制造的。

并且在1972年，蘇聯(lián)還發(fā)射了一顆氣象衛(wèi)星”流星-1″，這是世界上第一臺(tái)安裝霍爾推進(jìn)器的衛(wèi)星。

雖然推力很小，但讓世人看到竟然還有如此高科技的技術(shù)！

美國(guó)人這邊，一看蘇聯(lián)人玩得飛起啊，心里怪癢癢的，于是離子推進(jìn)器也不弄了，開始研究起來霍爾推進(jìn)器。

不僅如此，他們還引進(jìn)了一整套霍爾推力器技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深度創(chuàng)新，最終轉(zhuǎn)化為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，具備核心競(jìng)爭(zhēng)力的霍爾推進(jìn)器產(chǎn)品。

比如美國(guó)目前最大的三通道霍爾推進(jìn)器X3，它的最大推力為5.4牛。

相比于推力可達(dá)數(shù)百萬牛的化學(xué)動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)而言，實(shí)在不能打，甚至給人一種飛不起來的感覺。

但太空中是沒有重力的，在真空環(huán)境下，哪怕推力再小，只要作用的時(shí)間足夠長(zhǎng)，是可以讓航天器維持在一定高度的。

中國(guó)發(fā)展

我國(guó)對(duì)霍爾推力器的研究起步較晚，大致也是上個(gè)世紀(jì)90年代初才上馬相關(guān)研究。

但是我們利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，加上技術(shù)人員的不懈努力，中國(guó)的霍爾推進(jìn)器追趕速度很快。

在2022年1月，中國(guó)航天科技集團(tuán)蘭州空間技術(shù)物理研究所（501所）成功研制出HET450大功率單通道霍爾推進(jìn)器，其最大推力為4.6牛。

乍看下，好像沒有美國(guó)X3的5.4牛厲害，但是別忘了人家是三通道，也就是三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的組合體；而我們單通道就實(shí)現(xiàn)這么多。

并且從關(guān)鍵性能指標(biāo)來看，中國(guó)的霍爾推進(jìn)器已經(jīng)達(dá)到與美國(guó)比肩的高度，可以說非常厲害了。

再比如咱們中國(guó)的天宮空間站吧，其配備了四臺(tái)純國(guó)產(chǎn)的LHT-100型霍爾電推推進(jìn)器，采用將惰性氣體電離并高速噴出的方式產(chǎn)生微弱推力，可以近乎無限時(shí)間連續(xù)工作。

雖然目前推力只有80毫牛，在地面上僅能吹動(dòng)一張紙，但是在全球范圍內(nèi)已經(jīng)屬于領(lǐng)先水平。而且消耗推進(jìn)劑極少，未來天宮的貨運(yùn)補(bǔ)給次數(shù)相較國(guó)際空間站（傳統(tǒng)推進(jìn)方式）會(huì)大幅減少。

比如中國(guó)空間站用于維持高度所需要的燃料，只有國(guó)際空間站的1/20。

并且霍爾推進(jìn)器體積小巧，甚至和家用掃地機(jī)器人差不多大，噴射速度卻是化學(xué)燃燒的十倍。

也就是說，只要消耗十分之一質(zhì)量的工質(zhì)，就可以獲得和化學(xué)火箭一樣的推力。

而且，相較于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按秒計(jì)算的工作時(shí)間而言，霍爾推進(jìn)器的工作時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)數(shù)千乃至上萬小時(shí)，無疑也是相當(dāng)另類的。

此外霍爾推進(jìn)器最大的優(yōu)點(diǎn)還在于比沖高，所謂的比沖就是每單位推進(jìn)劑生成的力量。

發(fā)動(dòng)機(jī)比沖越高，意味著在相同條件下推進(jìn)劑能夠產(chǎn)生的速度增量越大，發(fā)動(dòng)機(jī)效率就越高，有效噴氣速度也就越快。

如果用重量來衡量燃料，那么比沖的單位就是秒。

在現(xiàn)階段的化學(xué)燃料中，比沖最高的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其比沖最大還沒超過500秒。

就拿著名的土星五號(hào)主發(fā)動(dòng)機(jī)F-1來說吧，它的單臺(tái)海平面推力達(dá)到驚人的6770千牛，海平面比沖僅為263秒。

而中國(guó)天宮空間站上使用的霍爾電推推進(jìn)器，其比沖高達(dá)3000秒以上，妥妥的秒殺它！

不過，想用霍爾電推來讓火箭起飛是不可能的，它的推力小，根本帶不動(dòng)那么大質(zhì)量的火箭。

需要注意的是，霍爾推進(jìn)器所攜帶的推進(jìn)劑實(shí)際上并不是“燃料”，而是工質(zhì)，它的能量來自電力，需要有強(qiáng)大的電源供電。

為此，天宮空間站安裝了不少柔性太陽(yáng)能翼，跟國(guó)際空間站使用的機(jī)械折疊展開不同，我們這款能讓太陽(yáng)能電池板有更多使用和擴(kuò)展空間。

不僅光電轉(zhuǎn)換效率超過了30%，同時(shí)電池翼面積也成倍提升，供電能力更強(qiáng)，供電功率達(dá)到了100KW，這足夠滿足霍爾推進(jìn)器以及空間站內(nèi)部的日常需求了。

結(jié)尾

在遙不可及的太空，一次性能攜帶多少“燃料”就決定了空間站能運(yùn)行多久。因此，在有限的空間里，攜帶足夠多的燃料就顯得至關(guān)重要。

霍爾推進(jìn)器的發(fā)明，相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的好處實(shí)在太多了，讓人類在航天飛行器領(lǐng)域中不斷取得重大進(jìn)展。

如今天宮空間站上使用的這一黑科技，讓全球看到了中國(guó)航天的強(qiáng)大，也值得我們普通老百姓驕傲自豪。

但我們的眼光應(yīng)該放得更遠(yuǎn)，未來肯定也會(huì)研制出推力更大的霍爾推進(jìn)器，畢竟我們的目標(biāo)是星辰大海！