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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?

2021-10-25  火星科普

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。

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