仅能推动一张纸，天宫空间站的霍尔推进器堪用吗？它代表星辰大海

火箭想要升空必须要使用大推力燃料的助推器才能够脱离地球引力的束缚，到达突破第一宇宙速度后才能成功进入太空。我国的天宫空间站过去几年通过神舟飞船的不断发射，如今已经完成建设。

而要想维持空间站运行自然也离不开燃料，不过天宫空间站的推动却主要是来自一个叫“霍尔推进器”的东西。据悉这个推进器的推力非常小。推力只有1牛顿，这点能量只能推动一张纸。

你可能会好奇了，空间站那么大，主要动力就靠这个玩意儿真的有用吗？可千万不要小瞧了这个推进器，这可是人类航天事业的未来，它代表的是未来星际航行，人类探索星辰大海的关键。

“霍尔推进器”

霍尔推进器又叫“霍尔效应推进器”，它利用装置中的磁场来限制电子的轴向运动，然后用它们推进电离，有效地加速离子产生推力。并中和羽流中的离子，是一种比较高效的离子推进器。

无需燃烧的动能

说到这个，就不得不提离子推进器。这是该类推进器的总称，基本工作原理是这类推进器中的离子束，尽管离子加速器的运行方式有多种，但基本都离不开这种推力。

离子推进器

离子中电荷的质量比意味着相对较小的电位差可以产生较高的排气速度，与使用化学燃料的推进器不同。这种反应过程需要的反应质量或者说推进剂量都非常小，便可以有一个比较大的功率。

因此，低质量的高比冲是这类推进器的显著特点。一般来讲，离子推进器的能量来源是太阳能。根据加速离子的方法，现今进行使用的静电离子推进器有网格静电离子推进器、场发射电力推进，以及今天我们要介绍到的霍尔效应推进器。

霍尔效应推进器

除了以上这些静电离子推进器，也有不少电磁离子推进器。接下来就是本文的重头戏，霍尔效应推进器。

该推进器利用静电势将离子加速到高速，吸引负电荷由推进器开口端的电子等离子体提供，而不是由网格进行。推进器阳极和阴极之间施加150伏~800伏的电势，这种方式让推进器中心部分形成电磁铁的磁极。

霍尔推力器的结构图

另外在推进器的环状结构内，还有另一个磁极，两个磁极相互围绕，磁极与磁极间的径向磁场使得电荷能够在洛伦兹力中进行一种稳定电势的流动。

最后是推进剂的选用，一般来讲，霍尔效应推进器使用的推进剂是氙气。氙气进入阳极附近后，它开始被离子化并通过这种稳态流动引入阴极。离子通过它进行加速，最后当这些离子离开时拾取电子并中和光束，以一种高速的状态离开推进器形成动力。

霍尔推力器的工作原理图

最初产生这个想法的是俄国科学家齐奥尔科夫斯基，当时还没有被应用在航天方面，主要针对于高海拔地区的地方。该技术在电离气流上表现出的动力潜力成为了美国多年后进行航天任务的重要研究对象。

上世纪50年代至60年代这期间，美国和苏联都进行过这种电力推进器的独立研究，这便是霍尔推进器的诞生。时间来到现在，天宫空间站的成功建设和运作。

天宫空间站结构示意图

天宫空间站采用的霍尔推进器推力虽然很低，但对于太空环境的运行来讲已经足够了。为什么这么讲呢？这里其实涉及到一个航天器长期运作的过程，因为在太空里其实不需要太多的燃料进行运行。

当年阿波罗号进行载人登月时，进入太空后整个飞船的燃料连一小半都没用到。真空环境下任何一点微小的动量都可以有大幅度且长久的运动，这是由于太空里的干扰因素很少，比如空气阻力、物体摩擦之类的。

“阿波罗登月”

这使得运动能够较长时间地保持在一个稳定的状态，对于天宫空间站来讲，只要它进入到了太空，燃料基本就不会使用了。像霍尔推进器这种微量的推进器便能够维持日常的运转，以及姿态微调。

天宫空间站上安装霍尔推进器的部位在天河核心模块的船体上，电力部分则是由两个可操纵的太阳能阵列提供。光伏电池板将阳光转化为电能，并在被遮挡时释放电量供电。总的来讲，天宫空间站的能量消耗其实很小。

霍尔推进器

而在日后的太空建设中，便需要霍尔推进器这种能够进行微量运动的装置。比如天琴计划中的卫星队列，它的任务要求就必须保证推力控制在0.1微牛中。

推力如果太大，对于这种长期运作在太空的装置或者飞行器来讲其实是一种负面效果。恰好霍尔推进器这种“细水长流”式的推进器则是它们所需要的，就像手术刀一般精准。

天琴计划示意图

另外再说说霍尔推进器早期的应用，毕竟霍尔推进器也不是什么特别神秘的新兴技术。

动力虽好，但需升级

作为动力推进装置的老大哥，它的应用其实并不比化学燃料晚，可以说几乎是同步的。

比如早期俄罗斯的卫星发射，前苏联的流星卫星SPT-50，再到后来的欧洲航天局的SMART-1、SPACE-X。这种具有高效对冲比的推进装置成为了后续许多航天器的首选，如今仍在不断升级中。

你可能会纳闷了，高效的对冲比竟然是1牛顿的推力，就这？问题不能这么理解，对冲比不能完全用实际产出的动能来进行解释。而且离子推进器可比你想得更厉害，为啥它的推力只有这么点，只能说发挥空间太小了，手脚施展不开啊。

要知道简单的化学燃料推进器每秒十几千米的速度基本就是现代化学顶端了，这点速度对于星际航行来讲太慢了。这时再来看看离子推进器，其质量损耗在运动过程中非常少，理论上讲离子推进器能够加速到近光速。

不过按照人类现有的技术是造不出的，就当前的技术而言，搞出一个几百米长的推进装置已经很了不起了。但这显然不符合火箭发射啊，火箭已经够大了，发射一次火箭需要的燃料都上万吨。要是再加个这么大的推进器，已经不是成本的问题了。

另外这种离子推进器最合适的应用场地是在太空这种比较纯粹的环境，大气中的摩擦干扰和其他因素也会影响推进器中的离子发挥效果。

一来这个东西想要运作在火箭或者飞行器上只能改小，二来对于那种需要长期工作或者姿态动量要求精准的航天器来讲，离子推进器才是首选。

霍尔推进器家族部分产品

所以我国天宫空间站的霍尔推进器虽说只有1牛顿的推力，但对比起其他霍尔推进器的应用通常只在零点几牛甚至更低，这在技术上的突破已经非常显著了。

不过这种推进器当然也不全是优点，目前来讲，它最大的缺点则是技术难点。理论上讲这个东西并不复杂，原理还是比较简单的，但问题的关键在于，如何去提升它的推力以及工作寿命？

霍尔效应

不管是网格推进器还是霍尔效应推进器，推进器中的高能离子会损伤陶瓷放电室，具体效果就是这种高速离子会对其造成强烈腐蚀。

以往科学家就做过不少测试，根据2010年的一项测报道测试显示，霍尔推进器每运行100小时就能够将其腐蚀1毫米。这就导致了推进器的在轨寿命通常都在几千小时以内。

离子推进器的推进剂

另外，推进剂也是另一个影响因素，离子推进器的高效运作离不开推进剂。早期的离子推进器应用的燃料危险性比较高，老旧型号推进器中的汞元素不仅有毒，而且还会污染航天器。

现今最常用的推进剂是氙气，因为该气体容易被电离，而且原子序数很高，同时也是惰性气体，并具备低腐蚀性。氙气非常稀有，而且价格昂贵，即便是这样也仍然供不应求。

氙气

但这一情况如今得到了一点改善，2018年由Space-X运营开展的“星链”计划中，这些互联网卫星则是由氪气为霍尔效应推进器提供燃料。

很明显，作为一家民营企业，控制成本是首要，氪气相较于氙气有着更低的成本。另外，其他的一些气体如铋、碘都展示出了较高的应用前景。

氪气

不断发展

所以就目前而言，离子推进器的主要应用场景是不需要用到太多燃料的星际航行和深空任务。当然，这肯定不是结束，考虑到这种推进器在未来很有可能成为人类星际航行的第一步，科学家在这几十年当中一直在研发合适的技术。

美国的Aerojet Rocketdyne（洛克达因）可以说是现代离子推进器的主要研发商。作为一家用于太空、国防，并且有着民用和商用的航空航天制造商，洛克达因有着不错的资金基础和技术累积。

火星结构

由NASA资助的一个太空飞行推进系统项目正是在这里进行，此次项目的主要目标是建造X3推进器，未来将会应用在火星探测和星际殖民上。

2015年时，这台推进器有了一个基本的雏形，X3推进器其设计功率为200千瓦，而且相对较轻。这种大体量的设计远比当前只有数千瓦的霍尔推进器要大出不少倍。

根据测试结果，X3已经被证明可以在100千瓦的功率下成功运行，能够产生5.4牛顿的推力。X3的多通道设计使霍尔推进器在相互嵌套的结构下不需要占用太多面积，最重要的是，这样一个大体量的推进器运行时间能运作5~10年。

这个消息听起来不禁让人眼前一亮，不过要想进行星际航行仍需要经过长时间的研究。相比之下，电力系统远没有化学燃料系统那样来得直接。

“星际航行”

如果想要达到一个理想的结果，至少需要一个能够处理500千瓦甚至100万千瓦功率的电力推进系统。对于星际航行来讲，化学燃料明显是不现实的，它需要携带难以估量的化学燃料才能支持长时间的运行。

可以期待

其实现如今也不仅只有离子推进器是最具前景的电动力推进器，但在当前的实践应用中，离子推进器展现出的效果是最成功的，特别是它那持久高效的推力。

未来这种离子推进器的研究才是人类迈向星辰大海的关键，当前有越来越多的企业开始不断对此进行更新迭代，这种梦想正在逐渐向我们靠近。