只够推动一张纸，中国霍尔推进器，为何能推动22吨重的空间站？
自今年四月发射升空以来，重达22.5吨的天和核心舱已经在太空中飞行了大约半年的时间。目前，三艘飞船对接于天和核心舱，分别是天舟二号、天舟三号以及神舟十三号，空间站上面还生活着三位航天员。
在天和核心舱上，配备了26台发动机，它们燃烧的都是化学燃料。除此之外，中国空间站还第一次用上了霍尔推进器，共有4台，每台的推力为80毫牛，4台发动机总共能产生0.32牛的推力。
相比之下，一枚普通鸡蛋的重量为500毫牛（0.5牛）。如果把天和核心舱上的4台霍尔推进器安装在一枚鸡蛋下方，它们产生的推力都无法把鸡蛋推离地面。单台发动机的动力只够推动一枚硬币或者一张纸。既然如此，为什么要在重达数十吨的空间站上，安装推力如此之小的发动机呢？
早在1000多年前的宋朝，我国古人制造出了最早的火箭雏形。自那之后，一直到如今用于发射人造卫星、载人飞船、星际探测器的火箭，仍然还是使用化学燃料。通过燃料的燃烧，发生剧烈的氧化还原反应，喷射出高速气流，来推动火箭对抗地心引力的作用，飞上太空。
为了让航天器冲出大气层，进入轨道，并在轨道上长期飞行，需要达到每秒数公里的速度。因为地球是个球体，虽然有重力作用，但如果航天器有一个足够快的水平速度，它们就能避免撞上地面，一直飞越弯曲的地球表面，绕着地球飞行。根据牛顿力学计算，这个速度为每秒7.9公里，这就是航天器绕行地球所需的第一宇宙速度。
由于地心引力的作用很强，要让航天器加速到第一宇宙速度不是一件容易的事情，需要火箭产生足够强大的推力。于是，火箭只能携带大量的燃料和氧化剂，常见的包括液氢-液氧、煤油-液氧、铝粉-高氯酸铵。
然而，火箭的推进剂不是加得越多越好，还要考虑到效率问题。根据齐奥尔科夫斯基火箭方程，火箭的速度增量（Δv）与质量比（火箭初始总质量m0与消耗燃料后余下的质量m1之比）呈对数关系，随着推进剂的增加，速度增量会越来越少。
火箭的速度每增加1倍，携带的推进剂就要随之增加10倍。速度增加2倍，推进剂就要增加100倍。因为推进剂过多，火箭产生的推力大都浪费掉了，很大一部分被用于加速推进剂本身。
火箭的推进剂重量占到总重量的80%至90%，有效载荷的比重较低。发射天和核心舱的长征五号B运载火箭，其起飞重量达到了837吨，天和核心舱的质量占比仅为2.69%。当年用于发射阿波罗载人登月飞船的土星5号火箭，其起飞重量高达3038吨，其有效载荷比只有4.33%。
化学火箭的能源利用效率很低，最快的气流喷射速度也只有大约5公里/秒，火箭的比冲（冲量与推进剂质量之比）决定着火箭的飞行距离和加速能力。现如今，化学火箭的发展几乎快要达到天花板，很难再有重大突破。
人类需要更高比冲的发动机，霍尔推进器应运而生。这是一种离子推进器，与燃烧燃料的化学推进系统完全不一样。虽然霍尔推进器也需要推进剂，但不是用于燃烧。
在霍尔推进器中，通过霍尔效应，电子等离子体发射出电子。这些带负电的粒子经由磁场加速后，撞击推进剂，目前用得比较多的是氙气。当高能电子撞击中性的氙原子时，它们会发生电离，释放出一到两个电子，成为+1价或者+2价的氙离子。
在几百伏电场的加速作用下，氙离子可以被加速到15至30公里/秒，最快甚至可以高达80公里/秒。当氙离子高速喷出时，它们会吸引相同数量的电子，产生没有净电荷的等离子体羽流。
霍尔推进器的效率一般可达50%，最高甚至可达75%，其比冲远高于常规的化学火箭发动机。但要论推力，霍尔推进器远小于化学火箭发动机，前者通常是毫牛或者牛级别，而后者是千牛级别。
虽然霍尔推进器的推力很小，在地球上只能推得动一枚硬币，或者一张纸，但到了太空中，这种推进器可以推动数十吨重的庞大空间站。因为太空中几乎没有阻力，根据牛顿第一定律，只需一个很小的推力，就能让空间站获得加速度，使其动起来。
中国空间站运行在高度约为390公里的近地轨道上，飞行速度为7.68公里/秒。虽然这里接近真空，但仍然还有少量的地球大气在阻碍空间站飞行，导致其轨道高度每月会衰减大约2公里。
为了让空间站维持在轨道上，需要定期启动火箭发动机，给空间站一个推力。位于相近轨道高度的国际空间站，每年要消耗7.5吨的推进剂来维持轨道高度，所需的成本超过2亿美元。
霍尔推进器能够长时间高效工作，所需消耗的推进剂很少，只需从太阳能电池板那里获得能量补充。中国空间站配备了4台霍尔推进器，它们可以让空间站的轨道保持稳定，从而节省大量的化学燃料。
霍尔推进器有着广阔的前景，可以应用于未来的星际飞行。如果可以进一步提高霍尔推进器的推力，让宇宙飞船一直产生1个g的加速度，这样不但让宇航员有了地球表面重力的感受，而且还能真正实现星际飞行。
不要小看了1g加速度，这样的宇宙飞船飞到45亿公里外的海王星，只需要11天。飞出半径1光年的太阳系，只需要508天，而旅行者1号（速度17公里/秒）需要1.8万年。飞到100光年外，也只要14年的时间。到了那时，星辰大海将不再是梦想，而是可以到达的目的地。
最新文章
-
王长绅紫微斗数之廉贞天相在子午守财帛宫，命宫为武曲星
19分钟前 -
磁共振扫描操作磁共振冠脉成像（一）
33分钟前 -
“病急乱投医”
50分钟前 -
择日——吊用“太阳、太阴”吉神到宫的方法
1小时前 -
古诗词中的十大人生境界，古今一付笑谈中
1小时前 -
史上最全K线图大全：70种+42个K线组合图解
2小时前 -
明朝最大遗憾：崇祯若答应李自成条件，明朝不会灭亡，还灭了满清
2小时前 -
孔子语录100句（附释文）国学经典
2小时前
热门文章
-
业医必修——孙思邈《大医精诚》
1周前 -
怎样从门口看房屋吉凶
1周前 -
低估了广东的“甘蔗马蹄茅根水”，喝完半个小时就舒服了！
1周前 -
痰湿体质如何调理 最全痰湿体质调理方法(8)
1周前 -
自制家庭小咸菜
1周前 -
七彩神龙指标源码（八戒神龙主图无未来函数）
7天前 -
《奇门遁甲预测术》奇门：格局庚
6天前 -
10种朝鲜咸菜的腌制方法
7天前
有话要说...