从吹纸到吹书，中国航天霍尔推进器世界第二，真不是吹牛

2022新年伊始，中国航天捷报频传，航天科技集团兰州空间技术物理研究所（510所）宣布：大功率霍尔效应推进器HET-450试车成功，最大推力达到4.6牛，将为我国载人登月、在轨服务等提供关键技术支撑！

中国HET-450霍尔推进器

有朋友说，“才4.6头牛，比火箭发动机差远了”你有所不知，这里的“牛”不是耕地的水牛，也不是拉车的黄牛，而是力学单位牛顿（N），在地球上，1千克力约等于9.8牛顿。

这么说来，4.6牛大约是0.47千克力，不到1斤，大约是你托起一本书的力量。

4.6牛，大约是托起一本书的力

这么小的力，跟载人登月有什么关系？当初美国发射阿波罗登月飞船的土星五号火箭，推力可是达到3408吨，相当于3340万牛顿，是中国HET-450推进器的726万倍！登月，510所别不是吹牛吧？

目前广泛使用的火箭发动机主要分为物理喷气、化学动力和电推进三种，太阳能、核动力等等都还处在探索阶段。物理的办法主要是利用压缩气体喷气来推动，好处是简单，缺点是效率低，多用于航天器调姿；化学动力是主流，几乎所有的火箭都是利用燃烧各种物质产生膨胀的废气、通过喷射气体的反推力来推动前进，其好处是推力强大，缺点是你得带许多燃料，并且气体喷出的速度是有上限的，不够快；霍尔推进是电推进的一种方式，它有化学火箭难以企及的优势，缺点就是推力小，小到什么程度呢？我们一会儿再讲。

美国土星5号F-1发动机失传

火箭、卫星或其它航天器在空中飞行，必须向反方向施加一个力，这个力不能凭空产生，它需要施加在一个物体上。根据牛顿第三定律：相互作用的两个物体之间的作用力与反作用力总是大小相等、方向相反、并且在同一条直线上。

推过汽车的朋友应该深有体会，当你推车时两条腿需要向地面施加一个向后的力，这样才能有向前推车的力；你对车的推力与车前进的阻力也是大小相等方向相反。而汽车前进的速度取决于你推力的大小、推动的速度，汽车能走多远则取决于你的体能。

推车体会作用力与反作用力

不管是什么类型的火箭引擎，它都要向后方喷射气体（工质），衡量一台引擎的指标通常有推力、燃烧时间、喷气速度、能源效率、比冲等等。

推力好理解，一枚自重500吨的火箭，你推力小于500吨它就飞不起来；即便发动机的推力有501吨，凭借多出来的1吨推力也没办法让火箭短时间里加速到很快。

燃烧时间跟航天器携带的燃料有关系，火箭还没飞出大气层燃料就耗尽了，后继乏力，它还是会掉下来。

喷气速度影响到航天器飞行的最终速度，要想缩短星际飞行时间，我们还是需要喷气速度更快的发动机。

火箭依靠喷气的反作用力飞行

与化学火箭引擎相比，采用电力推进的发动机效率与速度要高出许多倍。

大约在1960年代初，美国航空航天局（NASA）的科学家就提出离子发动机的设计概念：用电能产生电场，把推进剂的原子电离成离子，带电的离子在电磁场中加速到极快的速度喷射出去，喷射离子产生的反作用力就能推动航天器前进。世界上第一台实用的霍尔推进发动机是由苏联人制造的，苏联解体后，全套资料被美国获取，极大地推动了美国和西方国家在电推领域的发展。

美国6kW霍尔推进器

受到霍尔发动机的原理限制，我们很难通过比较小的输入功率实现很大的推力，在之前几十年时间里，大多数霍尔发动机推力只有毫牛级。中国天宫空间站的天和核心舱外边就安装了4台霍尔推进器，每台输出推力仅80毫牛，4台加起来才0.32牛，还不足33克力。打一个形象的比方：霍尔发动机的推力只能吹动一张纸！

这么小的推力到底有什么用处？我们得来谈一谈霍尔推进器的好处：高比冲、高速度、高能效。

天和核心舱外有四台霍尔推进器

比冲是衡量一台喷气发动机的重要指标，它主要是指发动机消耗一定数量燃料所产生的冲量，而冲量又是力在单位时间内的积分，所以比冲的大小反映了喷气发动机每单位燃料产生推力的效率。发动机比冲越高，意味着燃料利用效率越高、有效喷气速度也越快。

就拿著名的土星五号主发动机F-1来说吧，它的单台海平面推力达到惊人的6770千牛，海平面比冲仅为263秒（2.58千米/秒），而5台F-1发动机只需要168秒就能把一级火箭2160吨燃料全部烧光，平均每台发动机每秒钟烧掉2.57吨燃料。

与传统化学火箭发动机相比，霍尔推进器的推力简直不值一提，但它的比冲值却高达1000~8000秒，换句话说它的排气速度能达到大约10~80千米/秒；霍尔推进器可以连续工作几千个小时，这是任何化学引擎都不能做到的；因为高比冲，霍尔推进器的能效比极高，只要时间够长，它可以用极少的燃料达到终末速度，这意味着更低的成本和更大的载荷。

美国X3推进器相当于三台组合

目前世界上最大的霍尔推进器是美国的X3，它的直径约1米，最高功率达到102千瓦，最大推力达5.4牛，最高比冲为2650秒。

X3是嵌套式三通道推进器，它相当于三台发动机的组合体，而中国510所的HET-450是单通道推进器，直径只有X3的三分之二，最高功率达到105千瓦，最大推力4.6牛，使用氪作推进剂时最大比冲达到5100秒，是美国X3的两倍！

中国HET-450推进器参数最大值

从关键性能指标看，中国的霍尔推进器已经达到与美国比肩的高度，这是否意味着接下来我们可以将它装在飞船上，迈向星辰大海的征途呢？

不行。

到目前为止，最强推力的霍尔推进器还只能存在于实验室里，它很节省燃料，比冲值也极高，但这玩意儿就是一电老虎，要想让它卖力工作，你得有强大的电能保证，否则休想。

中美两国的先进电推的功率都超过100千瓦，这是什么概念？国际空间站全部8块共2500平方米的巨型太阳能电池在太阳直射时也只能产生215千瓦电力，考虑到日夜交替，它的平均功率仅84~120千瓦。

中国空间站天和核心舱两侧的太阳翼总面积达134平方米，总功率18千瓦，为了喂饱“电老虎”我们至少需要12块同样大小的太阳能帆板！其它设备不用电了啊？

HET-450需要12块这样的帆板供电

霍尔推进器推力小，它不适合用于火箭发射。它能长时间连续工作，比冲大效率高，所以适合安装在星际飞船上做远距离飞行，以时间换速度。或者将它装在近地轨道的卫星上，用来抵消空气阻力造成的轨道衰减。

但大推力电推的实用化，还需要解决一些问题，包括电能供应、真空状态下散热、高温等离子体造成的腐蚀等等。远期来看，霍尔推进器能大幅缩短从地球到月球或者火星的时间，应用前景一片光明。