在2021年4月29日，我國在中國文昌航天發(fā)射場，利用長征五號B遙二運(yùn)載火箭發(fā)射了空間站天和核心艙，這是空間站的首艙。根據(jù)我國空間站建造規(guī)劃，將在兩年時間內(nèi)建成以核心艙為控制中心，問天、夢天實驗艙為主要實驗平臺，常年有人照料的空間站。兩年時間內(nèi)，各個艙段將在軌道上“搭積木”，組建中國空間站，未來，中國空間站的質(zhì)量將達(dá)到幾十噸。

然而你能想象嗎，重達(dá)幾十噸的空間站在太空飛行過程中，用于維持軌道以及姿態(tài)調(diào)整的幾臺發(fā)動機(jī)推力卻只有80毫克，這個力量在僅能夠托起張A4紙。

這些推力如此之小的發(fā)動機(jī)也被稱為霍爾推進(jìn)器，那么為什么我們要使用推力這么小的發(fā)動機(jī)呢？

傳統(tǒng)的化學(xué)燃料推進(jìn)器

根據(jù)牛頓第三定律，如果物體A給物體B一個作用力，那么物體B也一定會受到物體A的反作用力。例如我們在走路時，我們會向后蹬給地面一個力，同時，地面也會給我們一個向前的反作用力，使我們正常前進(jìn)。在地面上還好說，因為地面始終可以作為我們的施力物體。但在太空中可就不一樣了，太空中由于沒有著力點(diǎn)，因此物體想要加速或者擺脫重力，無法通過與其它物體產(chǎn)生作用力來作為動力，那么這個時候只能讓“自己與自己產(chǎn)生作用力”。

這個做法就是：向后拋東西。當(dāng)火箭向后不斷“用力”地拋出物體時，這些物體會給火箭一個向前的反作用力，也就是推力。更專業(yè)地說，這個過程是動量守恒。

在航天領(lǐng)域，最為傳統(tǒng)的推進(jìn)方式就是化學(xué)燃料推進(jìn)。目前人類使用的火箭都是化學(xué)燃料火箭，這種火箭利用火箭中燃料燃燒時產(chǎn)生的巨大熱量，將燃?xì)庋杆賴姵觯@種爆燃的效果可以產(chǎn)生巨大的推力。例如我國的長征五號火箭的起飛重量達(dá)到了879噸。曾經(jīng)世界上最大的運(yùn)載火箭“土星五號”推力更是達(dá)到了3038噸。

長征五號火箭起飛

但利用化學(xué)燃料作為推進(jìn)存在一個很大的缺點(diǎn)，就是燃料的消耗量太大的，利用效率太低。因為火箭中大部分的質(zhì)量都是燃料和燃料罐。

例如在人類歷史上，最大的火箭“土星五號”，起飛重量達(dá)3000多噸，最后送上月球的部分其實只有45噸，剩下的質(zhì)量幾乎都是燃料。同樣的，我國空間站天和核心艙的重量為20噸左右，但發(fā)射質(zhì)量達(dá)八百多噸，多出來的質(zhì)量也都是裝配的燃料。

正因為火箭燃燒需要消耗大量燃料，因此火箭在設(shè)計時一般會將燃料分成多個部分，形成多級火箭。多級火箭中每一級都裝有發(fā)動機(jī)與燃料，目的是為了提高火箭的連續(xù)飛行能力與最終速度。從尾部最初一級開始，每級火箭燃料用完后自動脫落，同時下一級火箭發(fā)動機(jī)開始工作，使飛行器繼續(xù)加速前進(jìn)，減少飛行過程中的“累贅”。

多級火箭分離過程

火箭發(fā)射之所以需要消耗如此多的燃料，最主要的原因還是燃料的噴射速度不夠。火箭的推力是靠動量守恒獲得的，動量等于速度和質(zhì)量的乘積。由于它的質(zhì)量是一定的，因此想要使用更少的燃料讓航天器達(dá)到更大的速度，那么唯一能夠做的就是以更快的速度噴射物質(zhì)，從而獲得更大的動量。但化學(xué)燃燒這種方式即使在極限狀態(tài)下，噴出物的速度也只能達(dá)到10km/s，難以滿足我們的航天探索需求。要突破這一極限，只能另求辦法。

霍爾推進(jìn)器

如何將物質(zhì)加快到更大的速度并將它們拋出去？于是科學(xué)家們想到了粒子加速器，通過類似原理加速離子從而獲得推動力的推進(jìn)器被稱為離子推進(jìn)器。

離子推進(jìn)器是利用電子轟擊原子產(chǎn)生離子，然后通過電場加速離子，向后噴出獲得推力。離子推進(jìn)器的體積小巧，甚至可以和家用掃地機(jī)器人差不多大，噴射速度卻是化學(xué)燃燒的十多倍。因此如果要將航天器加速到同樣的速度，離子推進(jìn)器所攜帶的燃料質(zhì)量僅需化學(xué)燃料質(zhì)量的十分之一。

霍爾推進(jìn)器

不過由于離子推進(jìn)器設(shè)備在加速離子過程中，高速運(yùn)動的離子會和加速用的電極柵板碰撞，一方面會影響運(yùn)行效率，一方面會對器件造成腐蝕。于是科學(xué)家們再加入磁場對帶電粒子進(jìn)行約束。由于在這個過程中利用了霍爾效應(yīng)，因為也被稱為霍爾推進(jìn)器，從廣義上來說，霍爾推進(jìn)器也是離子推進(jìn)器的一種。

霍爾推進(jìn)器設(shè)備及原理

• 既然霍爾推進(jìn)器這么牛，為什么推力卻這么?。?/strong>

由于霍爾推進(jìn)器能將粒子加速到極高的速度，因此比沖（單位質(zhì)量的工質(zhì)能夠產(chǎn)生的推力）很大，效率更高。但這些加速離子都是在原子層面進(jìn)行操作，單位時間內(nèi)能夠電離出來的離子數(shù)量有限，導(dǎo)致噴射離子的質(zhì)量少，所以產(chǎn)生的推力較小。

幾十毫克的推力能推動幾十噸的天宮空間站？

雖說霍爾推進(jìn)器的推力小，但在太空中顯現(xiàn)出來的威力可不小。之所以在空間站中也要裝推動器，主要是空間站會與近地空間的稀薄大氣摩擦造成阻力，軌道高度會逐漸下降。以國際空間站為例，軌道衰減大約為每月2千米。

為了能夠保持空間站軌道高度，需要定時為空間站提供動力。但如果使用的是化學(xué)推進(jìn)劑，那么燃料消耗量將會是霍爾推進(jìn)器用量的數(shù)十倍。要知道向空間站中輸送物資所需要的“路費(fèi)”可是十分高昂的根據(jù)初步計算，而向太空運(yùn)送一公斤物資的成本在十萬元人民幣量級，并且頻繁的貨運(yùn)任務(wù)也將造成高風(fēng)險。

由于空間站處于失重狀態(tài)，因此任何一個很小的推力就能夠立馬讓空間站產(chǎn)生加速運(yùn)動。霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，雖說推力不大，但對于失重的空間站來說，卻影響很大。它的比沖極高，壽命長、控制精度高，能夠可以“細(xì)水長流”地發(fā)揮推動作用，輔助空間站抵抗軌道衰減，使其維持在原定軌道上正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此霍爾推進(jìn)器成為了最優(yōu)的動力選擇。

紅色框中為天宮空間站天和核心艙上的兩臺霍爾推進(jìn)器

最后

雖說霍爾推進(jìn)器的推動力小，但這只是現(xiàn)階段小，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些問題肯定會被逐步解決。畢竟霍爾推進(jìn)器在深空探測方面，有著天然的優(yōu)勢。

在航天事業(yè)上，20多年前，我國因落后而被拒之門外。20多年后，我國空間站逐漸實現(xiàn)反超，全世界超過二十多個國家求合作。中國航天厚積薄發(fā)，已悄然成為世界第一航天大國??！