只够推动一张纸,中国霍尔推进器,为什么能推动22吨重的空间站?


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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 。
【只够推动一张纸,中国霍尔推进器,为什么能推动22吨重的空间站?】
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 。

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