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推力只够举起8根头发,为啥霍尔推进器能使我国空间站叫板美国?

2021-01-19  图书馆收...

我国新一代空间站即将开建,未来将安装4台LHT100型霍尔离子推进器,单台推力80毫牛,虽然推力很小,但在推进原理方面却比由美国主导、采用化学推进的国际空间站整整领先了一代!

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中国天宫空间站构型

80毫牛的推力是个什么概念?一根头发丝儿重量约1毫克,如果在地球上,举起它需要10毫牛,80毫牛霍尔推进器只能举起8根头发!那么问题来了:“离子推进”、“霍尔电推”都是什么原理,推力这么小,为什么还总说它先进呢?人马君今天和大家聊聊这种神奇的推进方式,相信看完之后您就不会再一头雾水了!

推力虽小,却有大用

霍尔电推是离子推进器的一种,而离子推进器并不是新生事物,它早已应用在航天器上。记得嫦娥五号在执行月球采样任务时,总有不少人拿日本的隼鸟号小行星探测器跟嫦五对比,说隼鸟号由于采用离子发动机,所以比嫦五更先进。这纯属无稽之谈。由于推力太小,仅28毫牛,与嫦五的7500牛和3000牛发动机没法儿比,如果让隼鸟号去执行登月任务,一定会像某船二号那样摔得稀巴烂,返回就更别提了。

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飞行了数亿公里的隼鸟号

但为什么这么小的推力用在空间站上,又要说它很先进,是不是太双标了?并没有!咱们举个不太形象的栗子:喜欢打羽毛球的朋友应该不少,羽毛球可以暴力扣杀,也可以轻轻地把球推到网前,两种打法相辅相成,都很有用。如果你用扣杀的力量去放网前球,那就打过头了,而且杀几次就会把力气用光,后继乏力。而轻巧的网前小球却可以很好地控制方向,并且几乎不会累。化学火箭就如同暴力扣杀,霍尔电推则更像是温柔的网前小球,推力小有小的好处,它可以用很少的燃料实现长时间的推进,还可以更精确的调整航天器的姿态。

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化学火箭属于“大力出奇迹”

这种能力对大型空间站或卫星来说非常实用。它们本来已经在地球轨道上安了家,不用动力就能绕着地球转,按说不再需要火箭推进了。但近地轨道并不是完全的真空,存在非常非常稀薄的大气分子。航天器与稀薄大气产生摩擦,会损失能量,导致轨道高度越来越低。为了抵消这种效果,需要定期开启推进器,提升轨道高度,防止它坠入大气层烧毁。

这项任务可以用自身的或与之对接的飞船上的推进器来完成。由于轨道高度的下降速度极其缓慢,对时间窗口的要求没那么严格。我们可以选择用大推力的推进器工作较短的时间,也可以用小推力的推进器工作较长的时间,效果差不多。而如果想调整空间站或卫星的朝向和姿态的话,用小推力装置反而会更方便和精准。此外,一些不需要登陆其它星球的探测器,像隼鸟号这种,只要轨道设计得好,推力不用很大,也可以使用小推力发动机,甚至是离子推进这种推力只有毫牛量级的发动机。

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现在的国际空间站就需要定期提升轨道

从离子推进到霍尔推进

有网友会说:我也可以用传统化学火箭实现小推力,干吗要用离子推进器呢?原因在于:消耗同样多的燃料或工质,离子推进器能让航天器得到更多的速度增量,也就是通常所说的“比冲更高”。高到什么程度?在化学火箭发动机中,比冲最高的是氢氧机,能达到450s左右,而传说中的核热推进发动机能到900s,离子推进器现在能达到1500到3000s,甚至更高。这就意味着燃料的携带量可以大大减少,只有化学火箭的几分之一,将来有希望降到十分之一,从而使空间站的燃料补给次数和成本大大降低,如果是卫星,还可以减少燃料携带量,这省出来的可都是真金白银啊!

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科幻作品中的巨型离子发动机

那么离子推进器是如何实现这么高比冲的呢?这就涉及它的基本原理:与普通火箭向后喷燃气不同,离子推进器喷出来的是离子(喷出后会和电子中和),而且喷出速度非常高,能达到20至50公里每秒,而火箭喷气速度最大也只有5公里每秒。在最基本的静电式离子推进器设计中,用电子枪发出电子,将工质气体电离,在后方放置两块像打了无数小孔的正负栅板,离子穿过栅板时被电场加速向后喷出,产生推力。只要正负栅板之间的电压足够高,离子就可以被加速到很高的速度。这种离子发动机看似简单,后面那两块正负栅板却很不好做,对制造和材料要求极高,并且还存在空间电荷限流问题,影响了推力的进一步提高。

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一种离子发动机构型

而霍尔推进器解决了上述问题,它利用了物理学中的“霍尔效应”。在霍尔推进器中,采用环形喷口和放电室,作为阴极的电子枪在喷口外发射电子,电子沿轴向电场向阳极运动,同时在径向磁场作用下,由于霍尔效应而产生感应电压,开始环向旋转。这些电子与从阳极附近喷出的气体(一般是氙气)激烈碰撞,使气体电离,电离后的离子在电场作用下向后加速喷出,产生推力。霍尔推进器比静电式离子推进器的推力密度更高。

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霍尔推进器原理

比冲虽高,电力供应是关键

有心的网友应该已经能看出来,霍尔推进器携带的推进剂实际上并不是“燃料”,而是工质,它的能源来自电力,需要有强大的电源供电。像空间站或隼鸟号这种距离太阳不算太远的航天器,用太阳能电池板发电,很完美!我国空间站据说将使用砷化镓柔性电池翼,面积大,效率高,可作为霍尔推进发动机的坚实后盾。而如果要前往远离太阳的深空,那就得用核电池或更大功率的核反应堆电源了。

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霍尔推进器正在工作

那么有朋友问,霍尔推进的推力能变大吗?这个比较难,但也不是不可以。我国已经研制出了20千瓦功率的型号,推力达到牛级,比空间站上用的提高了十多倍,也许未来可以搞出更强大的霍尔发动机,就能大大提升人类在太阳系中的活动能力,当然,航天器供电也得跟上才行!

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