80毫牛推力，竟可推動180噸空間站？中國霍爾推進器強大在哪裡？

開頭

推力只有80毫牛，在地面上差不多就只能吹動一張A4紙，卻在太空中竟能夠推得動180噸的天宮空間站？

這種不可思議的推進器，就是霍爾推進器。

這玩意早在上個世紀就已經研發成功，但這次卻是第一次被中國人運用到載人航天器裡面，那麼它到底有多厲害？

霍爾推進器

霍爾推進器的名字源於其對霍爾效應的應用，早在1879年，美國物理學家霍爾在研究金屬的導電機制時發現了一種電磁效應。

當電流垂直於外磁場透過半導體時，載流子發生偏轉，垂直於電流和磁場的方向，會產生一附加電場，從而在半導體的兩端產生電勢差。

換句話說，就是帶電粒子在磁場中運動時，會受到某種作用從而引起偏轉。

就好比一條路，本來大家是均勻地分佈在路面上， 往前行走。當有磁場時，人群可能會被推到靠右邊行走。

後來基於這個現象，科學家們又發現，把一些特殊電子放到環形放電室中，讓它們與推進劑發生碰撞之後，會出現電離現象，並形成大量的等離子體。

而這些等離子體在霍爾效應的作用下，被迅速加速，並且其在電場中高速噴出時，還能夠產生一定的推力。

於是離子推進器的雛形就出來了。

又過了幾十年，1959年美國NASA的哈羅德·考夫曼（Harold Kaufman）成功研製出來了這種推進器，其電離室的電離方式採用最為簡單粗暴的電子轟擊，直接利用空心陰極產生的電子束流，將工質的電子轟擊出去。

只需要很少的能量就能把東西推動起來，NASA覺得大有可為，於是加班加點的想讓其能夠早點運用起來。

經過NASA工程師的不斷努力，終於在1998年，美國發射了“深空一號”探測器，首次將離子推進器作為衛星的主要動力，成功完成了對小行星及彗星的探測任務。

發動機自重只有 8 公斤，僅攜帶 82 千克氙就進行了 20 個月的飛行。

那霍爾推進器呢？別急，它的工作原理與離子推進器十分相似。

都是靠電場對離子進行加速，從而得到極高的排氣速度，繼而大幅度提升比衝（每單位推進劑生成的力量），但霍爾推進器的結構與電離方式比離子推進器要更加高階先進。

比如霍爾推進器的磁場是環形的，這不僅可以防止其與陽極室產生的正離子發生碰撞從而中和，還能夠產生閉環霍爾漂移，進一步約束與加速從陽極室中產生的等離子體！

也就是說，它的加速電場與磁場是在一起的，變得更加巧妙高效；而離子推進器是獨立的，電場是前端部分提供的，而磁場是後端部分提供的。

在這個過程中，需要加入氙、氪等作為工質。因為它們相對於其他物質而言，更容易與電子發生碰撞並電離，其次是電離後不易產生腐蝕性物質。

跟美國不同，蘇聯走的就是霍爾推進器的路線，世界上第一臺實用的霍爾推進發動機就是由蘇聯人製造的。

並且在1972年，蘇聯還發射了一顆氣象衛星“流星-1”，這是世界上第一臺安裝霍爾推進器的衛星。

雖然推力很小，但讓世人看到竟然還有如此高科技的技術！

美國人這邊，一看蘇聯人玩得飛起啊，心裡怪癢癢的，於是離子推進器也不弄了，開始研究起來霍爾推進器。

不僅如此，他們還引進了一整套霍爾推力器技術，並在此基礎上進行深度創新，最終轉化為具有自主智慧財產權的，具備核心競爭力的霍爾推進器產品。

比如美國目前最大的三通道霍爾推進器X3，它的最大推力為5。4牛。

相比於推力可達數百萬牛的化學動力火箭發動機而言，實在不能打，甚至給人一種飛不起來的感覺。

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

中國發展

我國對霍爾推力器的研究起步較晚，大致也是上個世紀90年代初才上馬相關研究。

但是我們利用後發優勢，加上技術人員的不懈努力，中國的霍爾推進器追趕速度很快。

在2022年1月，中國航天科技集團蘭州空間技術物理研究所（501所）成功研製出HET450大功率單通道霍爾推進器，其最大推力為4。6牛。

乍看下，好像沒有美國X3的5。4牛厲害，但是別忘了人家是三通道，也就是三臺發動機的組合體；而我們單通道就實現這麼多。

並且從關鍵效能指標來看，中國的霍爾推進器已經達到與美國比肩的高度，可以說非常厲害了。

再比如咱們中國的天宮空間站吧，其配備了四臺純國產的LHT-100型霍爾電推推進器，採用將惰性氣體電離並高速噴出的方式產生微弱推力，可以近乎無限時間連續工作。

雖然目前推力只有80毫牛，在地面上僅能吹動一張紙，但是在全球範圍內已經屬於領先水平。而且消耗推進劑極少，未來天宮的貨運補給次數相較國際空間站（傳統推進方式）會大幅減少。

比如中國空間站用於維持高度所需要的燃料，只有國際空間站的1/20。

並且霍爾推進器體積小巧，甚至和家用掃地機器人差不多大，噴射速度卻是化學燃燒的十倍。

也就是說，只要消耗十分之一質量的工質，就可以獲得和化學火箭一樣的推力。

而且，相較於火箭發動機按秒計算的工作時間而言，霍爾推進器的工作時間將長達數千乃至上萬小時，無疑也是相當另類的。

此外霍爾推進器最大的優點還在於比衝高，所謂的比衝就是每單位推進劑生成的力量。

發動機比衝越高，意味著在相同條件下推進劑能夠產生的速度增量越大，發動機效率就越高，有效噴氣速度也就越快。

如果用重量來衡量燃料，那麼比衝的單位就是秒。

在現階段的化學燃料中，比衝最高的氫氧火箭發動機，其比衝最大還沒超過500秒。

就拿著名的土星五號主發動機F-1來說吧，它的單臺海平面推力達到驚人的6770千牛，海平面比衝僅為263秒。

而中國天宮空間站上使用的霍爾電推推進器，其比衝高達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，根本帶不動那麼大質量的火箭。

需要注意的是，霍爾推進器所攜帶的推進劑實際上並不是“燃料”，而是工質，它的能量來自電力，需要有強大的電源供電。

為此，天宮空間站安裝了不少柔性太陽能翼，跟國際空間站使用的機械摺疊展開不同，我們這款能讓太陽能電池板有更多使用和擴充套件空間。

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

結尾

在遙不可及的太空，一次效能攜帶多少“燃料”就決定了空間站能執行多久。因此，在有限的空間裡，攜帶足夠多的燃料就顯得至關重要。

霍爾推進器的發明，相比傳統發動機的好處實在太多了，讓人類在航天飛行器領域中不斷取得重大進展。

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

但我們的眼光應該放得更遠，未來肯定也會研製出推力更大的霍爾推進器，畢竟我們的目標是星辰大海！