推力只有80毫牛的發(fā)動機，如何推動天宮空間站？

　　出品：科普中國

　　制作：謝竟成（科學(xué)有段子）

　　監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　2021年6月17日，神舟十二號成功發(fā)射，并與中國空間站的天和核心艙完成對接。而在核心艙之中，有多項技術(shù)達到了世界前列水平，引國人驕傲。其中，用來調(diào)整姿態(tài)、維持軌道的霍爾發(fā)動機，作為一項新技術(shù)，走進了人們的視野。

　　與常見的發(fā)動機不同，霍爾發(fā)動機不需要化學(xué)燃料，就可以噴出科幻電影中那般絢麗的尾焰，推動飛船前進。

　　如果不需要化學(xué)燃料，那它的動力來源是什么？

　　為什么要采用這種裝置？

　　這還得從火箭發(fā)動機的原理說起。

　　“天和”核心艙（圖片來源：中國載人航天）

　　化學(xué)火箭的極限在哪里？

　　不管是飛翔、劃船還是走路，要想獲得前進推力，都只有一個方法——利用牛頓第三定律。比如，走路時就需要我們的腳用力后蹬，以受到地面的反作用力，進而前進和加速。

　　可問題來了，太空中沒有著力點，那該如何獲得推力？

　　答案是——拋出去自己的一部分。

　　被拋物體的反作用力，就成了火箭本身向前的推力。這依然是牛頓第三定律的應(yīng)用，還可叫做動量守恒。

　　火箭想要前進，就得“扔”東西，隨著火箭技術(shù)的發(fā)展，“扔”的東西越來越多，也越來越快。

　　按照推進能源劃分，最早的火箭叫作化學(xué)燃料火箭，我國的長征五號火箭就屬于這一類。它們通過燃燒燃料產(chǎn)生能量，將燃氣迅速噴出，獲得前進的動力。

　　但人們發(fā)現(xiàn)，這種火箭有個致命的缺點，那就是燃料消耗量太大了。

　　火箭很大一部分空間裝的都是燃料和燃料罐。在人類歷史上，最大的火箭“土星五號”，起飛重量達3000多噸，最后送上月球的部分只有45噸，剩下的質(zhì)量幾乎都是燃料。

　　要想減少燃料消耗，還得從火箭的原理著手。前面說過，火箭的推力是靠動量守恒獲得的，動量等于速度和質(zhì)量的乘積，所以不管扔的是燃燒前的燃料（及助燃劑），還是燃燒后的燃料，只要扔的速度不變，產(chǎn)生的動量就不變，即獲得的推力不變。

　　因此，要想減少質(zhì)量，又不降低推力，方法只有一個——以更快的速度扔出。

　　但人們發(fā)現(xiàn)，靠化學(xué)燃燒，噴出物只能達到10km/s的速度“天花板”，難以滿足我們的航天探索需求。要突破這一極限，只能另謀出路了。

　　效率更高的發(fā)動機——離子推進器

　　怎樣獲得更高的噴射速度呢？科學(xué)家們想到了粒子加速器，它能產(chǎn)生目前人類能達到的最高速度——可以使粒子達到光速的99%以上。

　　但它的體積比較大，動輒上百米甚至幾十公里的長度，可不是直接就能裝到火箭上的，于是它的簡化版本，離子推進器誕生了。

　　離子推進器的原理，就是用電子轟擊原子產(chǎn)生離子，然后通過電場加速離子，向后噴出獲得推力。離子推進器的體積小巧，甚至可以和家用掃地機器人差不多大，噴射速度卻是化學(xué)燃燒的十倍。也就是說，只要消耗十分之一質(zhì)量的工質(zhì)，就可以獲得和化學(xué)火箭一樣的推力。

　　NASA的演進氙離子推進器（NEXT）計劃研制了一臺７千瓦功率的粒子推進器

　?。▓D片來源：NASA）

　　但它有個缺點，高速運動的離子會和加速用的電極柵板碰撞，不但影響效率，還會產(chǎn)生腐蝕，用不了多久，電極板就報廢了。

　　再進一步——霍爾發(fā)動機

　　為解決這個問題，科學(xué)家們又從離子推進器的結(jié)構(gòu)入手，開始改良離子的碰撞問題。

　　離子會碰到電極柵板，是因為原來的結(jié)構(gòu)中，離子產(chǎn)生區(qū)域和加速區(qū)域是分開的，離子要射出去，必須經(jīng)過電極柵板，這樣就難免會發(fā)生碰撞。

　　而如果把兩個區(qū)域合并，不僅可以取消掉一個極板，還能減小空間。人們將噴口處的負極板取消，做成敞口結(jié)構(gòu)，這樣既能達到加速離子的效果，又不會碰到極板，避免了腐蝕問題。

　　但這樣又產(chǎn)生了新問題：把兩個區(qū)域合并，雖然能避免離子和電極板碰撞，但又產(chǎn)生了電子和正極板碰撞的弊端，導(dǎo)致離子的生成率大幅降低。

　　對此，科學(xué)家想到了一個妙招，霍爾效應(yīng)。

　　這個思路跟可控核聚變中的磁約束有異曲同工之妙——利用磁場來限制電子在電場中的運動，把電子“捧”在里面轉(zhuǎn)圈圈，讓它們老實地跟原子相撞，形成離子再噴出去（實際上，為了避免離子吸附在推進器和飛行器外殼上，噴出的離子還會先和電子結(jié)合成中性的原子，再噴出去）。

　　因為利用了霍爾效應(yīng)，這種推進器就被稱為霍爾推進器。

　　霍爾推進器原理（圖片來源：參考文獻3）

　　萬事俱備，只欠工質(zhì)

　　接下來就是工質(zhì)選擇的問題了。用哪種原子去和電子碰撞，來產(chǎn)生離子？或者，直接噴電子行不行？

　　運用能量守恒，消耗同樣的能量，噴出的粒子質(zhì)量越大，動量越大，能產(chǎn)生的推力就更大。通常一個離子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的萬倍以上，所以選離子做工質(zhì)子更合適。

　　形成離子的原子，首先要容易與電子碰撞電離，這意味著原子的半徑越大越好；其次是電離后不易產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，因此，元素周期表右下方，原子量較大的幾種稀有氣體元素，顯然比較符合條件。

　　當(dāng)然，還要考慮其他因素，原子量最大的Uuo，半衰期只有12ms，而次一級的氡（Rn），又太稀有，且有放射性。所以，比較理想的就是氪（Kr）和氙（Xe）。

　　二者相比，雖然氙比氪更容易碰撞電離，但是更金貴稀有。因此在商業(yè)應(yīng)用上，氪更加受到青睞。比如馬斯克的星鏈衛(wèi)星，所用的霍爾推進器工質(zhì)就是氪。

　　元素周期表（圖片來源：veer圖庫）

　　至此，霍爾推進器的原理已經(jīng)明了，但它為什么沒有用在火箭發(fā)射上呢？

　　原因很簡單——推力低。例如天和號核心艙上用的霍爾推進器，每個推力是80毫牛，在地面上差不多只能托起一張A4紙，而我國最近研制出的推力達一牛的霍爾推進器，都已經(jīng)是世界前列水平了。

　　這么先進的推進器，怎么就只能推張紙？

　　其實，這個先進性，并不只看推力大小，而是著重于對工質(zhì)的利用率。用專業(yè)術(shù)語來講叫做比沖，就是單位質(zhì)量的工質(zhì)能夠產(chǎn)生的推力。

　　目前推力最大的X3霍爾推進器，推力可達5.4N（圖片來源：參考文獻2）

　　雖然霍爾推進器可以用不到十分之一的工質(zhì)就達到化學(xué)火箭的推力，但這是在噴射同樣質(zhì)量工質(zhì)的基礎(chǔ)上所作的比較。實際上，一個是爆炸式的噴射燃氣，一個是細水長流的噴射原子，當(dāng)然力量要小很多。

　　就拿歐洲航天局的首枚月球探測器SMART-1來說，它用的是離子推進器，效率跟霍爾推進器差不多，每天只能噴射一百克左右的燃料，百公里加速時間需要一天半，從同步軌道進入環(huán)月軌道就花了13個月。

　　推力雖小，前景遠大

　　雖然無法用來發(fā)射火箭，但在太空微重力環(huán)境下，霍爾推進器卻可以揚長避短，起到意想不到的效果。

　　第一，相對經(jīng)濟。衛(wèi)星在環(huán)繞地球飛行時，會受到零星空氣分子碰撞，導(dǎo)致軌道降低，最終墜毀。為了維持軌道，衛(wèi)星就需要安裝發(fā)動機來推進。然而，軌道跌落過程相當(dāng)緩慢，一年能也就幾公里。因此對推進器的推力要求就不高了，但從經(jīng)濟角度考慮，消耗燃料越少越好。這不正好是霍爾推進器的用武之地嗎？

　　所以，我國的天和號核心艙便安裝了霍爾推進器，在跟神舟十二號對接前，就是靠它來完成維持軌道的工作。

　　第二，持續(xù)性好。為什么人類最遠只到過月球，原因之一就是化學(xué)燃料火箭消耗巨大。雖然阿波羅飛船花了整整三天才到月球，但發(fā)動機僅工作了約1010秒，其余時間都是靠慣性在太空漂浮，只因無法承擔(dān)巨大的燃料消耗。

　　可霍爾推進器就不一樣，雖然推力小，但比沖高、消耗低，同樣工質(zhì)下持續(xù)性更強，最終速度還是很快的。

　　美國的深空一號探測器（采用離子推進器）曾經(jīng)就來了一場星際較量，通過持續(xù)加速，硬是跑贏了土星。

　　這就像龜兔賽跑似的，雖然霍爾推進器加速慢，在短距離上跑不過化學(xué)燃料發(fā)動機，但貴在能夠持之以恒，距離越長，越能“笑”到最后。

　　第三，更為精準。我國的太空引力波探測計劃系統(tǒng)“天琴”，需要三顆衛(wèi)星，以極高的精度組成邊長17萬公里的等邊三角形。要維持位置精度，就需要有精度高且推力小的推進器——霍爾推進器這類小功率的推進器就正好派上用場了。

　　依靠精度達到0.1微牛的推力控制，可以把衛(wèi)星牢牢地鎖定在隊列當(dāng)中，維持引力波探測的可靠性。

　　天琴計劃位置示意圖（圖片來源：國家航天局官網(wǎng)）

　　需要注意的是，霍爾推進器推力小，只是現(xiàn)階段的狀態(tài)。在未來，大推力霍爾推進器仍有很大的發(fā)展空間，但的確需要時間。

　　辦法總會比困難多，回望我國航天史，也正是這樣克服重重困難，一步一個腳印走過來的。星辰大海，漫漫征途，在這條艱辛而榮耀的道路上，只要不放棄思考，總會飛得更快，走得更遠。

　　參考文獻：

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　　[4]袁嵐峰. 打破太陽系枷鎖：霍爾推進器. 知乎. 2020