隻能推動一張紙？中國霍爾推進器：為什麼能推動50噸重的空間站？
随着神舟十四号載人飛船的造訪，中國空間站組合體的規模又一次變得更大。目前，天和核心艙的前、後向對接口分别對接着天舟三号、天舟四号貨運飛船，神舟十四号則對接在徑向端口。
天和核心艙重約22.5噸，天舟四号重約13.5噸，天舟三号重約6噸（假設物資已經耗盡），神舟十四号重約8噸，目前中國空間站組合體總重已達50噸。随着今年問天、夢天實驗艙相繼對接天和核心艙之後，中國空間站将達到100噸級的規模。
盡管中國空間站的規模已達50噸，但天和核心艙上卻配備着4台總推力僅為0.32牛的霍爾電推進發動機，要知道一枚雞蛋都有0.5牛重，那麼，如此大的空間站用這推力這麼小的發動機有什麼意義？
中國空間站飛行在距離地表大約390公裡高的太空中，軌道速度約為7.68公裡/秒。理論上，太空中沒有空氣阻力，空間站可以依靠慣性不斷繞着地球做近似圓周運動，即便無動力也不會掉下來。這就像我國的首顆人造衛星東方紅一号那樣，它早就沒有動力，但52年過去了，它還在太空中飛行。
東方紅一号的軌道高度較高，空氣阻力可以忽略，所以它長期在太空中無動力飛行也不會掉下來。但空間站的軌道屬于近地軌道，那裡并非完全真空，其實還在地球大氣層的熱層範圍内，那裡的稀薄大氣仍會阻礙空間站的飛行。在這樣的高度上，空間站的軌道高度每天估計會衰減66米，一個月累積起來，高度會下降2公裡。
因此，空間站需要定期通過啟動軌道控制發動機，擡升一下軌道，以防掉回地球。以近地軌道上的另一個空間站為例，國際空間站為此每年需要燃燒7.5噸的推進劑，需要定期由貨運飛船送推進劑上太空，成本達2億美元。
在我國空間站的天和核心艙上，也配備了4台2500N軌控發動機，推進劑為甲基肼（MMH）/四氧化二氮（N2O4）。每次天舟貨運飛船上太空時，也會帶一些推進劑，定期給空間站補加。
天和核心艙上還有22台姿态控制發動機，用于調整空間站的姿态，便于實驗艙和飛船的對接、撤離。更加備受關注的是，天和核心艙上配備了4台霍爾電推進器，雖然它們的推力非常小，但卻能用于空間站的軌道維持。
無論是軌控發動機，還是姿控發動機，它們都是傳統的火箭發動機，都是通過混合燃料和氧化劑，使之劇烈燃燒，然後再高速噴射出氣流，從而産生動力。除了火箭發動機外，還有一類是電推進發動機，它們的能量來源不是化學能，而是電能。
電推進發動機還分為好幾種，目前最為熱門之一的當屬霍爾推進器。這種推進器通常使用氫氣、氙氣、氩氣作為推進劑，但這些推進劑并不是通過燃燒來産生動力。
通過霍爾效應，推進劑受到電子撞擊而變成離子狀态，這些離子再經過電場的加速之後，然後再中和羽流中的離子，最終能讓噴射出的氣體加速至超過10公裡/秒，最快甚至可達80公裡/秒。相比之下，火箭發動機産生的氣流速度通常隻有2至4公裡/秒。
由此可見，對比單位質量的推進劑所能産生的沖量，也就是比沖，霍爾推進器遠高于火箭發動機。比沖越大，發動機性能越強，工作效率越高，霍爾電推力器的效率高達45%至70%。
盡管火箭發動機可以産生巨大的推力，但需要攜帶大量的推進劑，所以動力的很大一部分都被用于推動推進劑本身。在一枚典型的化學火箭中，推進劑的重量占比通常超過80%。
目前，霍爾推進器的推力都非常小，普遍隻有幾十毫牛，最大的也隻有幾牛，例如，天和核心艙上的HET-80霍爾推進器，單台推力僅為80毫牛（0.08牛），這麼小的推力隻能推動一張紙，遠小于能夠産生2500牛推力的軌控發動機。這是天和核心艙的霍爾推進器在運行時的景象，可以看到藍綠色的羽流：
但由于霍爾推進器的效率高，攜帶的推進劑少，而且又能長時間工作，積少成多，就能起到維持空間站高度的作用，從而可以節省大量的化學燃料。說到這裡，大家可能會好奇，4台霍爾推進器的總推力隻有0.32牛，如何能推動重達50噸的空間站？
如果是在地面上，這麼小的推力不可能推動如此重的物體。但到了太空中，基本上沒有空氣阻力，而且空間站處于失重狀态，隻要推力大于0，就能讓空間站的加速度大于0（牛頓第一運動定律：F=ma）。
盡管加速度很小，但經過長時間持續加速，累積起來，就能有一個比較可觀的速度增量。據估計，天和核心艙的四台霍爾推進器持續運行一天，可以讓空間站産生大約0.7米/秒的速度增量。
不要小看了這麼點推力，霍爾推進器的優勢是可以長時間持續工作，隻需要消耗從太陽能轉換而來的電能以及一些推進劑，這樣就能讓空間站的化學推進劑消耗下降一個數量級。
我國還在研究更加先進、推力更強的霍爾推進器，目前正在研制的HET-450，其地面試驗産生的最大推力可達4.5牛。不遠的将來，這些強大的霍爾推進器就能應用于我國的空間站，甚至我國的載人登月任務。
在我國電推進技術研究取得巨大成就的如今，也不要忘了中國航天之父錢學森的付出。當年正是錢老的高瞻遠矚，我國早在上個世紀60年代就開始了電推進技術的研究，正是有了前人打下的堅實基礎，才有我們如今世界先進的水平。
最新文章
-
“豫西中醫界之泰鬥喬保均”治療疑難病60年經驗賞析
5小時前 -
回憶、健忘和灑脫
5小時前 -
弘一法師：“真的不忍心告訴你，這個世界隻是一個夢。你一輩子執
5小時前 -
心理學，準的讓你驚叫
5小時前 -
人生，成大器者有四識，知識、見識、膽識、遠識
6小時前 -
俞和：被遺忘的書法家，以古為師，創新在手！
6小時前 -
2024屆新高考II卷語文真題答案及解析
6小時前 -
生前隻是小人物，死後震驚史學界
7小時前
熱門文章
-
每日一誦傷寒論第241條
1周前 -
老張老李侃門球之140篇
1天前 -
這個穴位可以治療多種胃痛腹痛，還可以減肥
5天前 -
為什麼五點鐘要起床答案讓人吃驚！（現在知道還不晚）
1周前 -
治療坐骨神經痛藥酒５方
1周前 -
美麗中國-2870：中國最大的内陸河，塔裡木河
1天前 -
二十四山開門放水作竈真訣開門放水作竈直訣——子山
1天前 -
門球技巧 隻需五個字讓你打好門球
1天前
有話要說...