隻夠推動一張紙，中國霍爾推進器，為何能推動22噸重的空間站？
自今年四月發射升空以來，重達22.5噸的天和核心艙已經在太空中飛行了大約半年的時間。目前，三艘飛船對接于天和核心艙，分别是天舟二号、天舟三号以及神舟十三号，空間站上面還生活着三位航天員。
在天和核心艙上，配備了26台發動機，它們燃燒的都是化學燃料。除此之外，中國空間站還第一次用上了霍爾推進器，共有4台，每台的推力為80毫牛，4台發動機總共能産生0.32牛的推力。
相比之下，一枚普通雞蛋的重量為500毫牛（0.5牛）。如果把天和核心艙上的4台霍爾推進器安裝在一枚雞蛋下方，它們産生的推力都無法把雞蛋推離地面。單台發動機的動力隻夠推動一枚硬币或者一張紙。既然如此，為什麼要在重達數十噸的空間站上，安裝推力如此之小的發動機呢？
早在1000多年前的宋朝，我國古人制造出了最早的火箭雛形。自那之後，一直到如今用于發射人造衛星、載人飛船、星際探測器的火箭，仍然還是使用化學燃料。通過燃料的燃燒，發生劇烈的氧化還原反應，噴射出高速氣流，來推動火箭對抗地心引力的作用，飛上太空。
為了讓航天器沖出大氣層，進入軌道，并在軌道上長期飛行，需要達到每秒數公裡的速度。因為地球是個球體，雖然有重力作用，但如果航天器有一個足夠快的水平速度，它們就能避免撞上地面，一直飛越彎曲的地球表面，繞着地球飛行。根據牛頓力學計算，這個速度為每秒7.9公裡，這就是航天器繞行地球所需的第一宇宙速度。
由于地心引力的作用很強，要讓航天器加速到第一宇宙速度不是一件容易的事情，需要火箭産生足夠強大的推力。于是，火箭隻能攜帶大量的燃料和氧化劑，常見的包括液氫-液氧、煤油-液氧、鋁粉-高氯酸铵。
然而，火箭的推進劑不是加得越多越好，還要考慮到效率問題。根據齊奧爾科夫斯基火箭方程，火箭的速度增量（Δv）與質量比（火箭初始總質量m0與消耗燃料後餘下的質量m1之比）呈對數關系，随着推進劑的增加，速度增量會越來越少。
火箭的速度每增加1倍，攜帶的推進劑就要随之增加10倍。速度增加2倍，推進劑就要增加100倍。因為推進劑過多，火箭産生的推力大都浪費掉了，很大一部分被用于加速推進劑本身。
火箭的推進劑重量占到總重量的80%至90%，有效載荷的比重較低。發射天和核心艙的長征五号B運載火箭，其起飛重量達到了837噸，天和核心艙的質量占比僅為2.69%。當年用于發射阿波羅載人登月飛船的土星5号火箭，其起飛重量高達3038噸，其有效載荷比隻有4.33%。
化學火箭的能源利用效率很低，最快的氣流噴射速度也隻有大約5公裡/秒，火箭的比沖（沖量與推進劑質量之比）決定着火箭的飛行距離和加速能力。現如今，化學火箭的發展幾乎快要達到天花闆，很難再有重大突破。
人類需要更高比沖的發動機，霍爾推進器應運而生。這是一種離子推進器，與燃燒燃料的化學推進系統完全不一樣。雖然霍爾推進器也需要推進劑，但不是用于燃燒。
在霍爾推進器中，通過霍爾效應，電子等離子體發射出電子。這些帶負電的粒子經由磁場加速後，撞擊推進劑，目前用得比較多的是氙氣。當高能電子撞擊中性的氙原子時，它們會發生電離，釋放出一到兩個電子，成為+1價或者+2價的氙離子。
在幾百伏電場的加速作用下，氙離子可以被加速到15至30公裡/秒，最快甚至可以高達80公裡/秒。當氙離子高速噴出時，它們會吸引相同數量的電子，産生沒有淨電荷的等離子體羽流。
霍爾推進器的效率一般可達50%，最高甚至可達75%，其比沖遠高于常規的化學火箭發動機。但要論推力，霍爾推進器遠小于化學火箭發動機，前者通常是毫牛或者牛級别，而後者是千牛級别。
雖然霍爾推進器的推力很小，在地球上隻能推得動一枚硬币，或者一張紙，但到了太空中，這種推進器可以推動數十噸重的龐大空間站。因為太空中幾乎沒有阻力，根據牛頓第一定律，隻需一個很小的推力，就能讓空間站獲得加速度，使其動起來。
中國空間站運行在高度約為390公裡的近地軌道上，飛行速度為7.68公裡/秒。雖然這裡接近真空，但仍然還有少量的地球大氣在阻礙空間站飛行，導緻其軌道高度每月會衰減大約2公裡。
為了讓空間站維持在軌道上，需要定期啟動火箭發動機，給空間站一個推力。位于相近軌道高度的國際空間站，每年要消耗7.5噸的推進劑來維持軌道高度，所需的成本超過2億美元。
霍爾推進器能夠長時間高效工作，所需消耗的推進劑很少，隻需從太陽能電池闆那裡獲得能量補充。中國空間站配備了4台霍爾推進器，它們可以讓空間站的軌道保持穩定，從而節省大量的化學燃料。
霍爾推進器有着廣闊的前景，可以應用于未來的星際飛行。如果可以進一步提高霍爾推進器的推力，讓宇宙飛船一直産生1個g的加速度，這樣不但讓宇航員有了地球表面重力的感受，而且還能真正實現星際飛行。
不要小看了1g加速度，這樣的宇宙飛船飛到45億公裡外的海王星，隻需要11天。飛出半徑1光年的太陽系，隻需要508天，而旅行者1号（速度17公裡/秒）需要1.8萬年。飛到100光年外，也隻要14年的時間。到了那時，星辰大海将不再是夢想，而是可以到達的目的地。
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