NASA霍尔推进器突破！自称改变游戏规则能力远超需求，不明觉厉？

NASA一项最新的技术突破可能意义重大，影响深远，或许会改变商业卫星领域的游戏规则。简而言之，他们开发了一款新型霍尔推进器，功能极为强大，可以让小型卫星自己飞向月球或火星，或者让它飞向地球静止轨道，与老卫星结合在一起，延长卫星至少6年的寿命。

你可能对这个技术还没有什么概念，这就相当于你本来只能跳一米高，现在你随随便便就可以跳3米高了，飞檐走壁完全不在话下。然后现在大多数卫星变成太空垃圾，并不是它老了坏了，而是燃料没了，无法变轨、调整姿态，有了这种推进器，就可以变废为宝，让老卫星焕发新生命了，并且节约大量的费用，减少太空垃圾的危害。

那么霍尔推进器是一项已经成熟的技术，原理已明，技术已清晰，NASA是获得了什么武林秘笈，葵花宝典，让它功力精进，西方不败，可以改变游戏规则的呢？

霍尔推进器的原理很简单，就是利用电力电离推进剂，把离子高速喷射出去，按照牛三律指明的方向，推动航天器前进。

具体来说它有一个环形的腔室，中间是内磁场线圈，底部是阳极，喷口附近是阴极和外磁场线圈。电子从阴极出来后，在喷口附近被磁场控制，一部分形成环形霍尔电流，一部分会冲向腔室更深的阳极处，遇到从阳极释放出来的推进剂后，将其电离为离子。离子带正电，又会被电场加速冲向喷口阴极处，和环形线圈里的电子异性相吸，手牵手形成中性原子喷射出去，从而推动航天器运动。

霍尔推进器原理最早由美国物理学家罗伯特·霍尔在1960年代阐明，但美国后来就去研究霍尔推进器的表兄离子推进器了，苏联则在1971年开发出霍尔推进器，并一枝独秀20年，直到苏联解体后NASA跑去取经，美西方才开始发展霍尔推进器并后来居上。目前美国已研发出100kW、5.4牛顿的X3，世界上最大推力的霍尔推进器，未来的月球空间站GateWay也要用4个6kW和3个12kW的霍尔推进器来来推进。

中国的霍尔推进器近年来也是发展神速，先后推出了10kW、20kW、50kW的霍尔推进器，并用于空间站的天和核心舱，这是世界上首次霍尔推进器用于载人航天器。2022年，中国也制造出了105kW的霍尔推进器，推力达4.6牛顿，已经可以媲美美国的X3了。

但你发现没有，这些都是奔着“大”目标去的，而真正用场最多的小目标，比如现在蓬勃兴起的近地轨道小卫星，如果能将它们发射到月球、火星乃至更深的深空，就可以执行更多的科学任务，大大拓宽我们对太阳系的认识。但用于这些小卫星的电力推进系统，由于成本限制，通常只设计为运行几千个小时，并且处理的推进剂一般也低于航天器整体质量的10%以下。

所以NASA迫切需要一种可以运载180公斤到450公斤的航天器，可以处理更多推进剂，获得更高ΔV的亚千瓦级低功率电力推进器，H71M霍尔推进器因而应运而生。通过使用单独的限流器、优化磁路组件、中心安装阴极等创新设计，研究人员让低功率霍尔推进器性能得到了极大提升。

根据地面测试的结果，H71M推进器在300V电压和1kW放电功率下推力高达68mN，在400V和1kW下表现出了1850s的比冲，显示出相当高效的性能水平。这让H71M可以稳定运行高达15000个小时，还有50%的冗余，可以处理超过航天器初始质量30%，高达140公斤以上的推进剂，获得8km/s 的ΔV，远远超出了大多数商业低地轨道任务的需求。

这个8km/s的ΔV是个什么概念呢？所谓ΔV，就是速度变化的意思，可以描述航天器在太空中改变轨道或速度时所需要的能力，8km/s的ΔV，意思就是改变的总速度要达到每秒8公里。这个指标对航天任务来说非常关键，它决定了航天器从一个轨道转移到另一个轨道，或者是完成复杂轨道机动所需的能力。

比如从地球发射航天器到低地轨道，需要克服地球引力和空气阻力，总Δv需要9.3-10km/s，到地球同步轨道还需要3.8km/s，到月球轨道则需要4.8km/s，降落到月球还需要1.6km/s，到火星低地轨道是6.1km/s，降落火星还需要4.1km/s。

所以用亚千瓦级的H71M霍尔推进器，就能够以较为低廉的成本到达月球和火星轨道，难怪NASA说它改变游戏规则的能力远超商业卫星任务需求。但不是每个人、每个组织、每个国家都有远大的理想，小型探测器的深空任务目前还寥寥无几，这种推进器究竟有什么用呢？

NASA早就规划好了，那就是我研发出来，可以免费、非排他性地向美国工业界提供，用于各种卫星推进。比如诺斯罗普·格鲁曼公司就基于H71M设计制造了NGHT-1X霍尔效应推进器，将通过火箭发射到低地轨道，然后自己爬升到地球同步轨道，安装到3颗通信卫星上，延长它们至少6年的寿命，预计将在2025年发射。

可以想象，随着这种技术越来越成熟，效率越来越高，把动辄几亿、几十亿美元的任务成本呈数量级地降低，未来可能会有越来越多的小型卫星飞向太阳系，飞向深空，为人类走向行星际空间打下坚实的基础。

参考：

https://science.nasa.gov/science-research/science-enabling-technology/pushing-the-limits-of-sub-kilowatt-electric-propulsion-technology-to-enable-planetary-exploration-and-commercial-mission-concepts/

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220009248/downloads/2022%20IEPC%20-%20Benavides%20-%20Final.pdf