中国霍尔推进器：推力只有0.32牛，为何能推动50吨重的空间站？

过去无论是运载火箭还是航天器，一般都使用化学燃料作为主助推器，但现在为了取得更好的效果，各国都在不断研发姚推进器。

现在太空中的天宫空间站使用4个霍尔推进器，推力80毫瓦，为0.08牛顿。

接下来，我们就来了解一下为什么推力只有0.32牛顿的中国霍尔推进器可以推动50吨重的空间站。

化学燃料火箭发射

中国空间站空间站分为单型和组合型。两个空间站。

目前天宫空间站还在建设中。除了天河核心舱外，还有载人飞船天舟三号、天舟四号和神舟十四号。根据每个模块和飞行器的重量计算，现在整个空间站重达50吨。

这么大的飞机，真的不会从轨道上掉下来吗？

天宫空间站概念图近地轨道范围比较广，一般认为是高度在2000公里以下的地方。

理论上来说，位于这里的卫星和飞行器是不会掉下来的，因为这里的空气阻力已经是0，所以可以靠惯性做绕地球的近似圆周运动。不过，并非该范围内的所有近地轨道都没有空气，就像距离天宫空间站390公里外的所在的地方，仍然存在一定的稀薄大气层。

虽然天宫空间站的飞行速度是7.68km/h，但这还是会受到一定的阻碍。

天宫空间站以国际空间站为例，也会受到一定的阻力下坠，每个月都会下坠2公里，所以为了避免落在地球上，它必须启动轨道发动机来提升轨道。

所以国际空间站每年需要消耗7.2吨推进剂来维持轨道高度，每年的成本几乎超过2亿美元。

霍尔推进器

当然天宫空间站也面临着同样的问题，但不同的是，除了在天河核心舱配备了26台以化学燃料为推进剂的发动机外，它还是第一次使用4霍尔推进器。

霍尔推进器

早在1960年代，我国航天事业之父钱学森就一直推动中科院电工研究所着手霍尔推进器的研究。

霍尔推进器也需要用到推进剂，比如氙气和氩气，但不是用来燃烧的。

在霍尔效应下，电子等离子体放出电子，带负电的离子在被磁场加速后撞击推进剂。如果此时使用氙气，当这些高能电子撞击它时，就会发生电离，释放出电子后，就变成了的氙离子。

大科学家钱学森

此时在电场的加速下，氙离子会被加速到15-30公里/秒，有的甚至可以达到80公里/秒.

氙离子高速射出时，会吸引相同数量的电子，然后产生等离子羽，无静电荷。

所以霍尔推进器不需要推进剂发生化学反应，只需要提供电能就可以推进50吨重的空间站。

霍尔推进有很大优势

与传统燃油推进相比，霍尔推进有很大优势。

霍尔推进器

现在我们用牛来测力，在地球上，一个鸡蛋的重量换算后大概是0.5头牛，而中国4台霍尔推进器的推力只有0.32牛。

其实现在的霍尔推进器最多只能达到牛级，而燃料推进器是kN级别。

但从这样的数据来看，两者的差距确实非常大，但实际上，对于一个位于空气阻力最小的环境中的空间站来说，这个力量已经足够推动它了。

发出不同光的霍尔推进器

霍尔推进器具有更大的比冲推进剂产生的功率，如果用重量来描述推进剂的多少，那么比冲对应的就是秒。

如果火箭发动机的比冲是200秒，那么它每使用一公斤推进剂，就会产生200公斤的推力。引擎的比冲越高，在相同条件下，推进剂能产生的速度提升越大，此时引擎的效率越高。

火箭发射

在使用化学推进剂的火箭发动机中，比冲为氢氧火箭发动机，但其比冲不超过500秒。但霍尔的推进剂比冲甚至可以达到3000秒，是两种推进剂相差6倍，在航天领域是一个相当大的突破。

所以在空间站，使用霍尔推进剂实现的加速，以及轨道升力的效果会更好。相关数据显示，如果天宫空间站的4台霍尔推进器持续运行一天，空间站可以产生约0.7米/秒的速度增量，这是非常重要的用于维持空间站的高度。

霍尔推进剂比冲更高

霍尔推进剂更省油

综上所述，霍尔推进剂不需要使用大量的化学燃料，只需提供电能。

而这些电能中有很大一部分还可以来自于太阳。天宫空间站采用的太阳能电池板技术是一种柔性太阳能翼。其产生的电能既能满足天河核心舱日常用电，又能提供耀明推进需要。

传统火箭发动机消耗大量化学燃料和氧化剂。常见的有液氢-液氧、煤油-液氧、铝粉-高氯酸铵。

空间站上的太阳能电池板

和火箭推进剂的运载量关系到火箭的效率。根据齐奥尔科夫斯基的火箭方程，火箭的速度增量与质量比呈对数关系。

随着推进剂用量的增加，速度增量会越来越小。也就是说，如果火箭的速度翻倍，它携带的推进剂需要增加10倍，速度翻倍时，需要携带100倍的推进剂。

这些推进剂占火箭总重量的80%以上。例如，长征五号乙运载火箭，起飞时全重800多吨，但核心舱重量仅占其2%多。

TsiolkovskyRocketEquation

所以传统火箭发动机的有效载荷比重非常低，这对我们来说，这种发动机不仅是资源浪费，效率低，甚至会污染大气.

不过需要注意的是，我国研制的耀明推进器和美国的耀明推进器最大功率已经超过了100千瓦。

但天河核心模块的太阳能电池板总面积只有134平方米，而能产生的总功率为18千瓦。

所以还是不能让霍尔的推进器发挥到极致，很大程度上还是要依赖飞船的补给。

霍尔推进器的耗电量问题需要解决

但是，如果没有特殊需要，没有必要开启所有霍尔推进器。

像日本的深空探测器一样，它也配备了4个霍尔推进器，它的推力只有28毫牛顿，正常运行只需要3个，所以空间站可能是相同。

当然，即使需要为补给舰提供推进剂，所需的量也会比国际空间站的少很多。

霍尔推进器还需要继续研发

当然，为了发展空间站和未来的航天事业，我们还需要进一步研发霍尔推进器。

空间站建设

20世纪90年代后期，我国开始正式研究霍尔推进器，虽然起飞晚了，但也取得了长足的进步。

现在我国最新研制的HET-450霍尔推进器，已经实现了最大推力4.6N，成功达到国际领先水平，目前科学家们正在研究解决好点推进器。未来，随着霍尔推进器的研发，我们或许可以将其应用到星际旅行中，让我们以更快的速度穿越太空。

不同型号的霍尔推进器

如果我们能实现1g的加速度，那么要飞出太阳系，可能只需要500多天，到达太空100光年之外，也只需要14年。

可见，霍尔推进器的发明和使用对人类航天事业起到了重要和积极的作用化学燃料是主要的助推器，但现在为了取得更好的成绩，各国都在不断研发霍尔推进器