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出品：科普中國

製作：謝竟成（科學有段子）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

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

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

如果不需要化學燃料，那它的動力來源是什麽？

為什麽要采用這種裝置？

這還得從火箭發動機的原理說起。

“天和”核心艙（圖片來源：中國載人航天）

化學火箭的極限在哪裏？

不管是飛翔、劃船還是走路，要想獲得前進推力，都隻有一個方法——利用牛頓第三定律。比如，走路時就需要我們的腳用力後蹬，以受到地麵的反作用力，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，隨著火箭技術的發展，“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燃料火箭，我國的長征五號火箭就屬於這一類。它們通過燃燒燃料產生能量，將燃氣迅速噴出，獲得前進的動力。

但人們發現，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。在人類曆史上，最大的火箭“土星五號”，起飛重量達3000多噸，最後送上月球的部分隻有45噸，剩下的質量幾乎都是燃料。

要想減少燃料消耗，還得從火箭的原理著手。前麵說過，火箭的推力是靠動量守恒獲得的，動量等於速度和質量的乘積，所以不管扔的是燃燒前的燃料（及助燃劑），還是燃燒後的燃料，隻要扔的速度不變，產生的動量就不變，即獲得的推力不變。

因此，要想減少質量，又不降低推力，方法隻有一個——以更快的速度扔出。

但人們發現，靠化學燃燒，噴出物隻能達到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，隻能另謀出路了。

效率更高的發動機——離子推進器

怎樣獲得更高的噴射速度呢？科學家們想到了粒子加速器，它能產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裏的長度，可不是直接就能裝到火箭上的，於是它的簡化版本，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生離子，然後通過電場加速離子，向後噴出獲得推力。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，噴射速度卻是化學燃燒的十倍。也就是說，隻要消耗十分之一質量的工質，就可以獲得和化學火箭一樣的推力。

NASA的演進氙離子推進器（NEXT）計劃研製了一台７千瓦功率的粒子推進器

（圖片來源：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，還會產生腐蝕，用不了多久，電極板就報廢了。

再進一步——霍爾發動機

為解決這個問題，科學家們又從離子推進器的結構入手，開始改良離子的碰撞問題。

離子會碰到電極柵板，是因為原來的結構中，離子產生區域和加速區域是分開的，離子要射出去，必須經過電極柵板，這樣就難免會發生碰撞。

而如果把兩個區域合並，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，做成敞口結構，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。

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

對此，科學家想到了一個妙招，霍爾效應。

這個思路跟可控核聚變中的磁約束有異曲同工之妙——利用磁場來限製電子在電場中的運動，把電子“捧”在裏麵轉圈圈，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合成中性的原子，再噴出去）。

因為利用了霍爾效應，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，隻欠工質

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

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

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；其次是電離後不易產生腐蝕性物質，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。

當然，還要考慮其他因素，原子量最大的Uuo，半衰期隻有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。因此在商業應用上，氪更加受到青睞。比如馬斯克的星鏈衛星，所用的霍爾推進器工質就是氪。

元素周期表（圖片來源：veer圖庫）

至此，霍爾推進器的原理已經明了，但它為什麽沒有用在火箭發射上呢？

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，在地麵上差不多隻能托起一張A4紙，而我國最近研製出的推力達一牛的霍爾推進器，都已經是世界前列水平了。

這麽先進的推進器，怎麽就隻能推張紙？

其實，這個先進性，並不隻看推力大小，而是著重於對工質的利用率。用專業術語來講叫做比衝，就是單位質量的工質能夠產生的推力。

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就達到化學火箭的推力，但這是在噴射同樣質量工質的基礎上所作的比較。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，每天隻能噴射一百克左右的燃料，百公裏加速時間需要一天半，從同步軌道進入環月軌道就花了13個月。

推力雖小，前景遠大

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

第一，相對經濟。衛星在環繞地球飛行時，會受到零星空氣分子碰撞，導致軌道降低，最終墜毀。為了維持軌道，衛星就需要安裝發動機來推進。然而，軌道跌落過程相當緩慢，一年能也就幾公裏。因此對推進器的推力要求就不高了，但從經濟角度考慮，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，持續性好。為什麽人類最遠隻到過月球，原因之一就是化學燃料火箭消耗巨大。雖然阿波羅飛船花了整整三天才到月球，但發動機僅工作了約1010秒，其餘時間都是靠慣性在太空漂浮，隻因無法承擔巨大的燃料消耗。

可霍爾推進器就不一樣，雖然推力小，但比衝高、消耗低，同樣工質下持續性更強，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）曾經就來了一場星際較量，通過持續加速，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燃料發動機，但貴在能夠持之以恒，距離越長，越能“笑”到最後。

第三，更為精準。我國的太空引力波探測計劃係統“天琴”，需要三顆衛星，以極高的精度組成邊長17萬公裏的等邊三角形。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微牛的推力控製，可以把衛星牢牢地鎖定在隊列當中，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）

需要注意的是，霍爾推進器推力小，隻是現階段的狀態。在未來，大推力霍爾推進器仍有很大的發展空間，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，隻要不放棄思考，總會飛得更快，走得更遠。

參考文獻：

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[4]袁嵐峰. 打破太陽係枷鎖：霍爾推進器. 知乎. 2020

來源: 中國科普博覽