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只能推动一张纸？中国霍尔推进器：为什么能推动50吨重的空间站？

启示号
军事
2年前
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随着神舟十四号载人飞船的造访，中国空间站组合体的规模又一次变得更大。目前，天和核心舱的前、后向对接口分别对接着天舟三号、天舟四号货运飞船，神舟十四号则对接在径向端口。

天和核心舱重约22.5吨，天舟四号重约13.5吨，天舟三号重约6吨（假设物资已经耗尽），神舟十四号重约8吨，目前中国空间站组合体总重已达50吨。随着今年问天、梦天实验舱相继对接天和核心舱之后，中国空间站将达到100吨级的规模。

尽管中国空间站的规模已达50吨，但天和核心舱上却配备着4台总推力仅为0.32牛的霍尔电推进发动机，要知道一枚鸡蛋都有0.5牛重，那么，如此大的空间站用这推力这么小的发动机有什么意义？

中国空间站飞行在距离地表大约390公里高的太空中，轨道速度约为7.68公里/秒。理论上，太空中没有空气阻力，空间站可以依靠惯性不断绕着地球做近似圆周运动，即便无动力也不会掉下来。这就像我国的首颗人造卫星东方红一号那样，它早就没有动力，但52年过去了，它还在太空中飞行。

东方红一号的轨道高度较高，空气阻力可以忽略，所以它长期在太空中无动力飞行也不会掉下来。但空间站的轨道属于近地轨道，那里并非完全真空，其实还在地球大气层的热层范围内，那里的稀薄大气仍会阻碍空间站的飞行。在这样的高度上，空间站的轨道高度每天估计会衰减66米，一个月累积起来，高度会下降2公里。

因此，空间站需要定期通过启动轨道控制发动机，抬升一下轨道，以防掉回地球。以近地轨道上的另一个空间站为例，国际空间站为此每年需要燃烧7.5吨的推进剂，需要定期由货运飞船送推进剂上太空，成本达2亿美元。

在我国空间站的天和核心舱上，也配备了4台2500N轨控发动机，推进剂为甲基肼（MMH）/四氧化二氮（N2O4）。每次天舟货运飞船上太空时，也会带一些推进剂，定期给空间站补加。

天和核心舱上还有22台姿态控制发动机，用于调整空间站的姿态，便于实验舱和飞船的对接、撤离。更加备受关注的是，天和核心舱上配备了4台霍尔电推进器，虽然它们的推力非常小，但却能用于空间站的轨道维持。

无论是轨控发动机，还是姿控发动机，它们都是传统的火箭发动机，都是通过混合燃料和氧化剂，使之剧烈燃烧，然后再高速喷射出气流，从而产生动力。除了火箭发动机外，还有一类是电推进发动机，它们的能量来源不是化学能，而是电能。

电推进发动机还分为好几种，目前最为热门之一的当属霍尔推进器。这种推进器通常使用氢气、氙气、氩气作为推进剂，但这些推进剂并不是通过燃烧来产生动力。

通过霍尔效应，推进剂受到电子撞击而变成离子状态，这些离子再经过电场的加速之后，然后再中和羽流中的离子，最终能让喷射出的气体加速至超过10公里/秒，最快甚至可达80公里/秒。相比之下，火箭发动机产生的气流速度通常只有2至4公里/秒。

由此可见，对比单位质量的推进剂所能产生的冲量，也就是比冲，霍尔推进器远高于火箭发动机。比冲越大，发动机性能越强，工作效率越高，霍尔电推力器的效率高达45%至70%。

尽管火箭发动机可以产生巨大的推力，但需要携带大量的推进剂，所以动力的很大一部分都被用于推动推进剂本身。在一枚典型的化学火箭中，推进剂的重量占比通常超过80%。

目前，霍尔推进器的推力都非常小，普遍只有几十毫牛，最大的也只有几牛，例如，天和核心舱上的HET-80霍尔推进器，单台推力仅为80毫牛（0.08牛），这么小的推力只能推动一张纸，远小于能够产生2500牛推力的轨控发动机。这是天和核心舱的霍尔推进器在运行时的景象，可以看到蓝绿色的羽流：

但由于霍尔推进器的效率高，携带的推进剂少，而且又能长时间工作，积少成多，就能起到维持空间站高度的作用，从而可以节省大量的化学燃料。说到这里，大家可能会好奇，4台霍尔推进器的总推力只有0.32牛，如何能推动重达50吨的空间站？

如果是在地面上，这么小的推力不可能推动如此重的物体。但到了太空中，基本上没有空气阻力，而且空间站处于失重状态，只要推力大于0，就能让空间站的加速度大于0（牛顿第一运动定律：F=ma）。

尽管加速度很小，但经过长时间持续加速，累积起来，就能有一个比较可观的速度增量。据估计，天和核心舱的四台霍尔推进器持续运行一天，可以让空间站产生大约0.7米/秒的速度增量。

不要小看了这么点推力，霍尔推进器的优势是可以长时间持续工作，只需要消耗从太阳能转换而来的电能以及一些推进剂，这样就能让空间站的化学推进剂消耗下降一个数量级。

我国还在研究更加先进、推力更强的霍尔推进器，目前正在研制的HET-450，其地面试验产生的最大推力可达4.5牛。不远的将来，这些强大的霍尔推进器就能应用于我国的空间站，甚至我国的载人登月任务。

在我国电推进技术研究取得巨大成就的如今，也不要忘了中国航天之父钱学森的付出。当年正是钱老的高瞻远瞩，我国早在上个世纪60年代就开始了电推进技术的研究，正是有了前人打下的坚实基础，才有我们如今世界先进的水平。