中国霍尔推进器：推力只有0.32牛，为什么能推动50吨重的空间站？

导语：今年是中国的航天大年，每一次火箭发射都震撼人心，从最初杨利伟乘坐神舟五号环绕地球一周，到现如今成功建设中国空间站并实现长期驻留，这其中是无数科研人员的夜以继日殚精竭虑的刻苦攻坚。

近日中国的霍尔推进器已经突破毫牛水平，达到了0.32牛，那么这0.32牛是如何推动重大数十吨的空间站的呢？

一、空间站运行规律与根据地表得出的常识不同

首先，力不是运动维持的条件，而是运动发生改变的条件。假如一个物体不受力，那么这个物体将永远的做匀速直线运动或者保持静止。其次，卡文迪许通过扭秤实验借助平面镜反射放大了力矩，同时验证了万有引力的存在和测定了万有引力常量。

到现在，人们已经认识到任何两个物体之间都存在万有引力，只不过在日常生活中，万有引力实在是太小了，完全可以忽略不计，所以不易被人们所察觉，而当我们的视线扩大到天体范围，这时候作为长程力的万有引力才真正展现它的风采。

地球围绕太阳做公转，月球围绕太阳旋转，都是万有引力的功劳。乃至我们能够稳稳的站在高速自转的地球上而不是被甩出去，都是万有引力的帮助，它的一部分用来提供圆周运动的向心力，另一部分则变成了我们日常生活中常说的重力。

我们不妨做一个小实验，用绳子系住一块橡皮，让橡皮在水平方向做匀速圆周运动，我们会发现橡皮对手有一个拉力，这当做匀速圆周运动时需要不断有向心力去改变橡皮的速度方向，同样的，空间站也是如此围绕地球进行运动，由万有引力去改变空间站的速度方向，使得空间站做匀速圆周运动。

二、霍尔推进器的工作原理及优缺点

传统推进器注意依靠燃料燃烧向后喷射高速气体，使得自身获得一个反方向的动量，从而达到加速或减速的目的。而霍尔元件与传统推进器有着根本的不同，首先，霍尔效应是当电流通过磁场时，离子会发生横向移动，这就导致两侧存在电势差。

霍尔推进器主要依靠电力，通过磁场约束电子做轴向移动来达到推进的目的，有很多种类型，比如脉冲等离子推进器、电弧加热推进器、磁等离子推进器等等。它的基本思路都是先把原子电离，再通过电场轰出去。不过无论是发动机、推进器、推力器本质都是离子喷射出去，本质并没有什么区别。

虽然霍尔推进器目前的推力远远不及传统推进器，但是它的优点在于可以长时间工作，同时我们对比单位质量推进剂所产生的冲量，即比冲，霍尔推进器显著高于以火箭发动机为代表的传统推进器，霍尔推进器的工作效率甚至高达70%，并且由于它的推力精准，对维持姿态也更轻松，自然成为长寿命飞行器的最佳选择。

2007年，美国Dawn黎明号采用三台离子推进器，累计飞行了69亿公里。2003年，日本隼鸟号，使用四台离子推进器，完成了对小行星的采样返回任务。2018年，欧洲宇航局的BepiColombo水星探测器采用了四台离子推进器，计划飞行90亿公里。

太空中化学燃料难以大量补充，长期稳定的能量来源除了核电池利用重核裂变提供的电能，就只剩下光能转化来的电能了。霍尔推进器未来人类航空航天的关键技术，我国在这一方面也不甘落后。

中国首次于1974年开展了关于汞离子推进器的相关研究，开发的LIPS-80离子发动机获得了国家科技进步一等奖；2004年，我国第一台200毫米氙离子推进器问世；2019年，推力为336毫牛的LIPS-400样机无论是累计寿命、功率调节、效率都达到了国际水平。

三、霍尔推进器作用于空间站

空间站的周围可不完全是真空的，由于空间站位于距地面390千米处的轨道上，会有稀薄大气产生的空气阻力，这使得空间站的轨道每个月会下降约2千米。我国空间站搭载了四台霍尔推进器。

虽然每个推力只有0.32牛，仅仅能支撑一张纸，但是“驽马十驾”“功在不舍”，它们工作一天大约可以产生0.7米的速度增量，虽然还不能完全代替火箭发动机，但是霍尔推进器让化学能源的消耗量下降了几个数量级，这对于空间站的运维有着关键的作用。

总结：霍尔推进器虽然推力较小，但是空间站的轨道维持和姿态调整也恰恰需要这样小型而精准的推力，然而化学燃料推动虽然推力大，但是不易控制，不能执行所有任务。霍尔推进器则可以满足推动空间站的任务。