推力只够举起一缕头发，为啥霍尔推进器能使我国空间站叫板美国？

我国新一代空间站即将开建，未来将安装4台LHT100型霍尔离子推进器，单台推力80毫牛，虽然推力很小，但在推进原理方面却比由美国主导、采用化学推进的国际空间站整整领先了一代！

中国天宫空间站构型

80毫牛的推力是个什么概念？一根长头发丝儿重量约10毫克，如果在地球上，举起它需要0.1毫牛，80毫牛霍尔推进器只能举起800根，也就是一缕头发！那么问题来了：“离子推进”、“霍尔电推”都是什么原理，推力这么小，为什么还总说它先进呢？人马君今天和大家聊聊这种神奇的推进方式，相信看完之后您就不会再一头雾水了！

推力虽小，却有大用

霍尔电推是离子推进器的一种，而离子推进器并不是新生事物，它早已应用在航天器上。记得嫦娥五号在执行月球采样任务时，总有不少人拿日本的隼鸟号小行星探测器跟嫦五对比，说隼鸟号由于采用离子发动机，所以比嫦五更先进。这纯属无稽之谈。由于推力太小，仅28毫牛，与嫦五的7500牛和3000牛发动机没法儿比，如果让隼鸟号去执行登月任务，一定会像某船二号那样摔得稀巴烂，返回就更别提了。

飞行了数亿公里的隼鸟号

但为什么这么小的推力用在空间站上，又要说它很先进，是不是太双标了？并没有！咱们举个不太形象的栗子：喜欢打羽毛球的朋友应该不少，羽毛球可以暴力扣杀，也可以轻轻地把球推到网前，两种打法相辅相成，都很有用。如果你用扣杀的力量去放网前球，那就打过头了，而且杀几次就会把力气用光，后继乏力。而轻巧的网前小球却可以很好地控制方向，并且几乎不会累。化学火箭就如同暴力扣杀，霍尔电推则更像是温柔的网前小球，推力小有小的好处，它可以用很少的燃料实现长时间的推进，还可以更精确的调整航天器的姿态。

化学火箭属于“大力出奇迹”

这种能力对大型空间站或卫星来说非常实用。它们本来已经在地球轨道上安了家，不用动力就能绕着地球转，按说不再需要火箭推进了。但近地轨道并不是完全的真空，存在非常非常稀薄的大气分子。航天器与稀薄大气产生摩擦，会损失能量，导致轨道高度越来越低。为了抵消这种效果，需要定期开启推进器，提升轨道高度，防止它坠入大气层烧毁。

这项任务可以用自身的或与之对接的飞船上的推进器来完成。由于轨道高度的下降速度极其缓慢，对时间窗口的要求没那么严格。我们可以选择用大推力的推进器工作较短的时间，也可以用小推力的推进器工作较长的时间，效果差不多。而如果想调整空间站或卫星的朝向和姿态的话，用小推力装置反而会更方便和精准。此外，一些不需要登陆其它星球的探测器，像隼鸟号这种，只要轨道设计得好，推力不用很大，也可以使用小推力发动机，甚至是离子推进这种推力只有毫牛量级的发动机。

现在的国际空间站就需要定期提升轨道

有网友会说：我也可以用传统化学火箭实现小推力，干吗要用离子推进器呢？原因在于：消耗同样多的燃料或工质，离子推进器能让航天器得到更多的速度增量，也就是通常所说的“比冲更高”。高到什么程度？在化学火箭发动机中，比冲最高的是氢氧机，能达到450s左右，而传说中的核热推进发动机能到900s，离子推进器现在能达到1500到3000s，甚至更高。这就意味着燃料的携带量可以大大减少，只有化学火箭的几分之一，将来有希望降到十分之一，从而使空间站的燃料补给次数和成本大大降低，如果是卫星，还可以减少燃料携带量，这省出来的可都是真金白银啊！

科幻作品中的巨型离子发动机

那么离子推进器是如何实现这么高比冲的呢？这就涉及它的基本原理：与普通火箭向后喷燃气不同，离子推进器喷出来的是离子（喷出后会和电子中和），而且喷出速度非常高，能达到20至50公里每秒，而火箭喷气速度最大也只有5公里每秒。在最基本的静电式离子推进器设计中，用电子枪发出电子，将工质气体电离，在后方放置两块像打了无数小孔的正负栅板，离子穿过栅板时被电场加速向后喷出，产生推力。只要正负栅板之间的电压足够高，离子就可以被加速到很高的速度。这种离子发动机看似简单，后面那两块正负栅板却很不好做，对制造和材料要求极高，并且还存在空间电荷限流问题，影响了推力的进一步提高。

一种离子发动机构型

而霍尔推进器解决了上述问题，它利用了物理学中的“霍尔效应”。在霍尔推进器中，采用环形喷口和放电室，作为阴极的电子枪在喷口外发射电子，电子沿轴向电场向阳极运动，同时在径向磁场作用下，由于霍尔效应而产生感应电压，开始环向旋转。这些电子与从阳极附近喷出的气体（一般是氙气）激烈碰撞，使气体电离，电离后的离子在电场作用下向后加速喷出，产生推力。霍尔推进器比静电式离子推进器的推力密度更高。

霍尔推进器原理

比冲虽高，电力供应是关键

有心的网友应该已经能看出来，霍尔推进器携带的推进剂实际上并不是“燃料”，而是工质，它的能源来自电力，需要有强大的电源供电。像空间站或隼鸟号这种距离太阳不算太远的航天器，用太阳能电池板发电，很完美！我国空间站据说将使用砷化镓柔性电池翼，面积大，效率高，可作为霍尔推进发动机的坚实后盾。而如果要前往远离太阳的深空，那就得用核电池或更大功率的核反应堆电源了。

霍尔推进器正在工作

那么有朋友问，霍尔推进的推力能变大吗？这个比较难，但也不是不可以。我国已经研制出了20千瓦功率的型号，推力达到牛级，比空间站上用的提高了十多倍，也许未来可以搞出更强大的霍尔发动机，就能大大提升人类在太阳系中的活动能力，当然，航天器供电也得跟上才行！