我國(guó)大功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)獲得重大突破！據(jù)多家權(quán)威媒體報(bào)道，航天科技集團(tuán)五院510所研發(fā)的HET-450單通道霍爾推力器，在地面試驗(yàn)中最大推力達(dá)到了4.6牛（以氙為工質(zhì)），最大功率達(dá)105千瓦。當(dāng)在氪為工質(zhì)時(shí)，最高比沖超過(guò)了5100秒，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
HET-450單通道霍爾推力器
要知道目前世界上推力最大的霍爾推進(jìn)器是美國(guó)的X3，是三通道設(shè)計(jì)，最大推力為5.4牛，最大功率102千瓦。從數(shù)據(jù)上看，HET-450霍爾推力器的推力只比美國(guó)的X3少了0.8牛，處于同一量級(jí)。至于5100秒的最大比沖，是液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的十幾倍，只能用“逆天”來(lái)形容。
HET-450霍爾推力器試驗(yàn)時(shí)的情景
不知道大家有沒有注意到，這臺(tái)國(guó)內(nèi)最強(qiáng)霍爾電推還只是單通道設(shè)計(jì)，推力就已經(jīng)于美國(guó)三通道的X3相當(dāng)。那么這里的“單通道”和“三通道”都是什么意思呢？4.6牛的推力到底是大還是?。恳酪黄咳萘繛?00ml的礦泉水， 重力就有4.9牛，也就是說(shuō)4.6牛的最大推力在地面上還不足以舉起一瓶礦泉水，為何仍說(shuō)它是重大突破呢？
原來(lái)，霍爾電推是一種另類的航天動(dòng)力裝置，另類到帶有一絲科幻色彩。4.6牛的最大推力雖然舉不動(dòng)一瓶水，與動(dòng)輒百噸的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不能比，卻已經(jīng)是妥妥的國(guó)際先進(jìn)水平。因?yàn)榛魻柾七M(jìn)器的特點(diǎn)就是推力小、比沖高，常見型號(hào)的推力大都是幾十毫牛的量級(jí)，能達(dá)到牛級(jí)就非同小可，達(dá)到4.6牛已經(jīng)是逆天神器了！
略帶科幻色彩的霍爾推進(jìn)器
這是因?yàn)榫邆淙绱送屏Φ幕魻柾七M(jìn)器，能讓航天器如虎添翼，極大地提高其性能和壽命。要想搞清楚這件事，就不得不說(shuō)說(shuō)霍爾電推的原理?；魻栯娡剖请x子推進(jìn)器的一種，與普通的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)向后噴燃?xì)獠煌?，離子推進(jìn)器噴出來(lái)的是離子，這些離子經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)加速后，具備了極高的速度，能達(dá)到20~50公里/秒，向后噴出后即產(chǎn)生了推力。
由于離子的速度極高，所以比沖很大，通俗點(diǎn)兒說(shuō)，就是消耗單位質(zhì)量的工質(zhì)達(dá)到的速度增量更大！例如獵鷹9號(hào)使用的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖只有273秒左右，阿里安5火箭芯級(jí)的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，真空比沖約430秒。HET-450霍爾推力器的最大比沖5100秒，這就意味著要達(dá)到同樣的速度增量，HET-450消耗的工質(zhì)只有氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的十幾分之一。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組比沖遠(yuǎn)不如霍爾推進(jìn)器
這樣一來(lái)，航天器攜帶的燃料就可以大大減少，或攜帶同樣燃料下的工作壽命可大大延長(zhǎng)。不過(guò)，由于噴出來(lái)的離子質(zhì)量很小，所以推力也很小，只有牛頓或者毫牛量級(jí)。因此，想用霍爾電推來(lái)讓火箭起飛是不可能的。但小推力也有小推力的用武之處，例如衛(wèi)星或空間站的軌道保持，以及深空探測(cè)。
對(duì)于運(yùn)行在近地軌道的衛(wèi)星或空間站，由于存在非常非常稀薄的大氣分子，航天器與稀薄大氣產(chǎn)生摩擦，會(huì)損失能量，導(dǎo)致軌道高度越來(lái)越低。為了抵消這種效果，需要定期開啟推進(jìn)器，提升軌道高度，防止它墜入大氣層燒毀。
這項(xiàng)任務(wù)可以用自身的或與之對(duì)接的飛船上的推進(jìn)器來(lái)完成。由于軌道高度的下降速度極其緩慢，對(duì)時(shí)間窗口的要求沒那么嚴(yán)格。我們可以選擇用大推力的推進(jìn)器工作較短的時(shí)間，也可以用小推力的推進(jìn)器工作較長(zhǎng)的時(shí)間，效果差不多。
空間站需要定期抬高軌道
這時(shí)離子推進(jìn)器高比沖的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來(lái)了，它消耗的燃料（工質(zhì)）遠(yuǎn)小于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，因此大大提高了衛(wèi)星的壽命，并可減少空間站的燃料補(bǔ)給需求，降低補(bǔ)給頻次，進(jìn)而節(jié)省大量真金白銀的經(jīng)費(fèi)，例如我國(guó)天宮空間站就裝備了4臺(tái)霍爾推進(jìn)器用于軌道保持，馬斯克的星鏈衛(wèi)星，裝備的也是霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)。
離子推進(jìn)器與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，就如同長(zhǎng)跑和短跑運(yùn)動(dòng)員的區(qū)別。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就像是一位強(qiáng)悍的短跑運(yùn)動(dòng)員，可以在極短時(shí)間內(nèi)以極高的速度奔馳，但卻消耗極大，后勁不足，跑一會(huì)兒就沒力氣了。離子發(fā)動(dòng)機(jī)卻像一個(gè)長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員，雖然跑得不快，但貴在持久，慢悠悠地一直跑，像馬拉松比賽可以跑出幾十公里。
我國(guó)空間站上的霍爾離子電推和化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)
在前往太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)行星的深空探測(cè)中，離子推進(jìn)也大有用武之地。雖然推力小，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后，依然可以把航天器加速到很高的速度。我們不妨假設(shè)在太空中有一個(gè)4.6噸重的飛船，裝上1臺(tái)4.6牛推力的離子推進(jìn)器從0開始加速，并且忽略因燃料消耗而減輕的質(zhì)量。
雖然看上去這樣的加速會(huì)很慢，但如果持續(xù)加速1天，它的速度將達(dá)到86.4米/秒，如果持續(xù)加速一年，速度將超過(guò)31公里/秒，這個(gè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于能飛出太陽(yáng)系的第三宇宙速度，是非?？植赖?。我們還可以安裝多臺(tái)離子推進(jìn)器，以進(jìn)一步提高加速度。日本的隼鳥號(hào)小行星探測(cè)器裝備的離子發(fā)動(dòng)機(jī)推力僅28毫牛，卻足以使它完成探測(cè)任務(wù)。
日本隼號(hào)號(hào)的離子發(fā)動(dòng)機(jī)僅28毫牛
需要注意的是，離子推進(jìn)器攜帶的推進(jìn)劑實(shí)際上并不是“燃料”，而是工質(zhì)，它的能源來(lái)自電力，需要有強(qiáng)大的電源供電。像空間站或隼鳥號(hào)這種距離太陽(yáng)不算太遠(yuǎn)的航天器，用太陽(yáng)能電池板發(fā)電，很完美！如果要前往遠(yuǎn)離太陽(yáng)的深空，那就得用核電池或更大功率的核反應(yīng)堆電源了。
離子推進(jìn)器的概念是世界航天界的先驅(qū)——羅伯特·戈達(dá)德于1906年提出的，從上個(gè)世紀(jì)60年代開始，美國(guó)和蘇聯(lián)開始真刀真槍的研究離子電推，但卻走了兩條不同的路線，美國(guó)走的是用電場(chǎng)直接加速的離子推進(jìn)器，例如下面這種靜電式離子推力器：
一種靜電式離子推力器的原理
這種推進(jìn)器用電子槍發(fā)出電子，將工質(zhì)氣體電離，在后方放置兩塊打了無(wú)數(shù)小孔的正負(fù)柵板，離子穿過(guò)柵板時(shí)被電場(chǎng)加速向后噴出，產(chǎn)生推力。只要正負(fù)柵板之間的電壓足夠高，離子就可以被加速到很高的速度。
這種離子推進(jìn)器看似簡(jiǎn)單，后面那兩塊正負(fù)柵板卻很不好做，對(duì)制造和材料要求極高，并且還存在空間電荷限流問(wèn)題，影響了推力的進(jìn)一步提高。1964年，美國(guó)的SERT 1衛(wèi)星首次進(jìn)行了離子推進(jìn)器在軌試驗(yàn)。1998年的深空一號(hào)更是首次將離子發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力裝置。
而蘇聯(lián)卻選擇了霍爾推進(jìn)器的路線。雖然同樣是噴射離子，但霍爾推進(jìn)器顧名思義是利用了物理學(xué)中的霍爾效應(yīng)。它采用環(huán)形噴口和放電室，作為陰極的電子槍在噴口外發(fā)射電子，電子沿軸向電場(chǎng)向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在徑向磁場(chǎng)作用下，由于霍爾效應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，開始環(huán)向旋轉(zhuǎn)。
霍爾推進(jìn)器的原理
這些旋轉(zhuǎn)的電子與從陽(yáng)極附近噴出的氣體（氙氣、氪氣等）激烈碰撞，使氣體電離，電離后的離子在電場(chǎng)作用下向后加速噴出，產(chǎn)生推力。霍爾推進(jìn)器的推力密度可以做得比前面那種靜電式離子推進(jìn)器更高。由于霍爾電推的優(yōu)良性能，美國(guó)人后來(lái)也開始重視它，開展了大量研究。
目前世界上推力最大的霍爾推進(jìn)器就是美國(guó)的X3，是密歇根大學(xué)與NASA和美國(guó)空軍聯(lián)合開發(fā)的。它的特別之處在于使用了嵌套式的設(shè)計(jì)，將三個(gè)推力器以同心圓方式套在一起，同時(shí)產(chǎn)生推力。因此我們能看到X3有三個(gè)環(huán)狀噴口。正是這種設(shè)計(jì)才讓X3達(dá)到了5.4牛的最大推力，成為世界范圍內(nèi)的佼佼者。
美國(guó)密歇根大學(xué)的X3霍爾推進(jìn)器
這種方式就是所謂的三通道。而我國(guó)的HET-450霍爾推力器，4.6牛的推力雖然略遜于X3，卻是單通道的設(shè)計(jì)，也就是只用了一套放電推進(jìn)裝置就產(chǎn)生了與X3幾乎相當(dāng)?shù)耐屏?。讓我們大膽猜測(cè)一下，假如HET-450將來(lái)也能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)嵌套的話，推力還會(huì)更高，有較大的可能性超過(guò)X3而拔得頭籌。
HET-450一個(gè)通道就實(shí)現(xiàn)了4.6牛
因此，HET-450在最大推力這個(gè)單一指標(biāo)上是比X3差了一丟丟，但在技術(shù)上很難說(shuō)就一定落后，仍然是一臺(tái)前途無(wú)量的逆天神器，是貨真價(jià)實(shí)的重大突破，非常值得慶賀！它的試驗(yàn)成功，對(duì)我國(guó)未來(lái)的衛(wèi)星、空間站和深空探測(cè)任務(wù)都是一個(gè)重大利好。
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