推力只有80毫牛的发动机，如何推动天宫空间站？|推进器|火箭|粒子|燃料
出品：科普中国
制作：谢竟成（科学有段子）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2021年6月17日，神舟十二号成功发射，并与中国空间站的天和核心舱完成对接。而在核心舱之中，有多项技术达到了世界前列水平，引国人骄傲。其中，用来调整姿态、维持轨道的霍尔发动机，作为一项新技术，走进了人们的视野。
与常见的发动机不同，霍尔发动机不需要化学燃料，就可以喷出科幻电影中那般绚丽的尾焰，推动飞船前进。
如果不需要化学燃料，那它的动力来源是什么？
为什么要采用这种装置？
这还得从火箭发动机的原理说起。
△“天和”核心舱（图片来源：中国载人航天）
化学火箭的极限在哪里？
不管是飞翔、划船还是走路，要想获得前进推力，都只有一个方法——利用牛顿第三定律。比如，走路时就需要我们的脚用力后蹬，以受到地面的反作用力，进而前进和加速。
可问题来了，太空中没有着力点，那该如何获得推力？
答案是——抛出去自己的一部分。
被抛物体的反作用力，就成了火箭本身向前的推力。这依然是牛顿第三定律的应用，还可叫做动量守恒。
火箭想要前进，就得“扔”东西，随着火箭技术的发展，“扔”的东西越来越多，也越来越快。
按照推进能源划分，最早的火箭叫做化学燃料火箭，我国的长征五号火箭就属于这一类。它们通过燃烧燃料产生能量，将燃气迅速喷出，获得前进的动力。
但人们发现，这种火箭有个致命的缺点，那就是燃料消耗量太大了。
火箭很大一部分空间装的都是燃料和燃料罐。在人类历史上，最大的火箭“土星五号”，起飞重量达3000多吨，最后送上月球的部分只有45吨，剩下的质量几乎都是燃料。
要想减少燃料消耗，还得从火箭的原理着手。前面说过，火箭的推力是靠动量守恒获得的，动量等于速度和质量的乘积，所以不管扔的是燃烧前的燃料（及助燃剂），还是燃烧后的燃料，只要扔的速度不变，产生的动量就不变，即获得的推力不变。
因此，要想减少质量，又不降低推力，方法只有一个——以更快的速度扔出。
但人们发现，靠化学燃烧，喷出物只能达到10km/s的速度“天花板”，难以满足我们的航天探索需求。要突破这一极限，只能另谋出路了。
效率更高的发动机——离子推进器
怎样获得更高的喷射速度呢？科学家们想到了粒子加速器，它能产生目前人类能达到的最高速度——可以使粒子达到光速的99%以上。
但它的体积比较大，动辄上百米甚至几十公里的长度，可不是直接就能装到火箭上的，于是它的简化版本，离子推进器诞生了。
离子推进器的原理，就是用电子轰击原子产生离子，然后通过电场加速离子，向后喷出获得推力。离子推进器的体积小巧，甚至可以和家用扫地机器人差不多大，喷射速度却是化学燃烧的十倍。也就是说，只要消耗十分之一质量的工质，就可以获得和化学火箭一样的推力。
△NASA的演进氙离子推进器（NEXT）计划研制了一台７千瓦功率的粒子推进器（图片来源：NASA）
但它有个缺点，高速运动的离子会和加速用的电极栅板碰撞，不但影响效率，还会产生腐蚀，用不了多久，电极板就报废了。
再进一步——霍尔发动机
为解决这个问题，科学家们又从离子推进器的结构入手，开始改良离子的碰撞问题。
离子会碰到电极栅板，是因为原来的结构中，离子产生区域和加速区域是分开的，离子要射出去，必须经过电极栅板，这样就难免会发生碰撞。
而如果把两个区域合并，不仅可以取消掉一个极板，还能减小空间。人们将喷口处的负极板取消，做成敞口结构，这样既能达到加速离子的效果，又不会碰到极板，避免了腐蚀问题。
但这样又产生了新问题：把两个区域合并，虽然能避免离子和电极板碰撞，但又产生了电子和正极板碰撞的弊端，导致离子的生成率大幅降低。
对此，科学家想到了一个妙招，霍尔效应。
这个思路跟可控核聚变中的磁约束有异曲同工之妙——利用磁场来限制电子在电场中的运动，把电子“捧”在里面转圈圈，让它们老实地跟原子相撞，形成离子再喷出去（实际上，为了避免离子吸附在推进器和飞行器外壳上，喷出的离子还会先和电子结合成中性的原子，再喷出去）。
因为利用了霍尔效应，这种推进器就被称为霍尔推进器。
△霍尔推进器原理（图片来源：参考文献3）
万事俱备，只欠工质
接下来就是工质选择的问题了。用哪种原子去和电子碰撞，来产生离子？或者，直接喷电子行不行？
运用能量守恒，消耗同样的能量，喷出的粒子质量越大，动量越大，能产生的推力就更大。通常一个离子的质量是电子质量的万倍以上，所以选离子做工质子更合适。
形成离子的原子，首先要容易与电子碰撞电离，这意味着原子的半径越大越好；其次是电离后不易产生腐蚀性物质，因此，元素周期表右下方，原子量较大的几种稀有气体元素，显然比较符合条件。
当然，还要考虑其他因素，原子量最大的Uuo，半衰期只有12ms，而次一级的氡（Rn），又太稀有，且有放射性。所以，比较理想的就是氪（Kr）和氙（Xe）。
二者相比，虽然氙比氪更容易碰撞电离，但是更金贵稀有。因此在商业应用上，氪更加受到青睐。比如马斯克的星链卫星，所用的霍尔推进器工质就是氪。
至此，霍尔推进器的原理已经明了，但它为什么没有用在火箭发射上呢？
原因很简单——推力低。例如天和号核心舱上用的霍尔推进器，每个推力是80毫牛，在地面上差不多只能托起一张A4纸，而我国最近研制出的推力达一牛的霍尔推进器，都已经是世界前列水平了。
这么先进的推进器，怎么就只能推张纸？
其实，这个先进性，并不只看推力大小，而是着重于对工质的利用率。用专业术语来讲叫做比冲，就是单位质量的工质能够产生的推力。
△目前推力最大的X3霍尔推进器，推力可达5.4N（图片来源：参考文献2）
虽然霍尔推进器可以用不到十分之一的工质就达到化学火箭的推力，但这是在喷射同样质量工质的基础上所作的比较。实际上，一个是爆炸式的喷射燃气，一个是细水长流的喷射原子，当然力量要小很多。
就拿欧洲航天局的首枚月球探测器SMART-1来说，它用的是离子推进器，效率跟霍尔推进器差不多，每天只能喷射一百克左右的燃料，百公里加速时间需要一天半，从同步轨道进入环月轨道就花了13个月。
推力虽小，前景远大
虽然无法用来发射火箭，但在太空微重力环境下，霍尔推进器却可以扬长避短，起到意想不到的效果。
第一，相对经济。卫星在环绕地球飞行时，会受到零星空气分子碰撞，导致轨道降低，最终坠毁。为了维持轨道，卫星就需要安装发动机来推进。然而，轨道跌落过程相当缓慢，一年能也就几公里。因此对推进器的推力要求就不高了，但从经济角度考虑，消耗燃料越少越好。这不正好是霍尔推进器的用武之地吗？
所以，我国的天和号核心舱便安装了霍尔推进器，在跟神舟十二号对接前，就是靠它来完成维持轨道的工作。
第二，持续性好。为什么人类最远只到过月球，原因之一就是化学燃料火箭消耗巨大。虽然阿波罗飞船花了整整三天才到月球，但发动机仅工作了约1010秒，其余时间都是靠惯性在太空漂浮，只因无法承担巨大的燃料消耗。
可霍尔推进器就不一样，虽然推力小，但比冲高、消耗低，同样工质下持续性更强，最终速度还是很快的。
美国的深空一号探测器（采用离子推进器）曾经就来了一场星际较量，通过持续加速，硬是跑赢了土星。
这就像龟兔赛跑似的，虽然霍尔推进器加速慢，在短距离上跑不过化学燃料发动机，但贵在能够持之以恒，距离越长，越能“笑”到最后。
第三，更为精准。我国的太空引力波探测计划系统“天琴”，需要三颗卫星，以极高的精度组成边长17万公里的等边三角形。要维持位置精度，就需要有精度高且推力小的推进器——霍尔推进器这类小功率的推进器就正好派上用场了。
依靠精度达到0.1微牛的推力控制，可以把卫星牢牢地锁定在队列当中，维持引力波探测的可靠性。
△天琴计划位置示意图（图片来源：国家航天局官网）
需要注意的是，霍尔推进器推力小，只是现阶段的状态。在未来，大推力霍尔推进器仍有很大的发展空间，但的确需要时间。
办法总会比困难多，回望我国航天史，也正是这样克服重重困难，一步一个脚印走过来的。星辰大海，漫漫征途，在这条艰辛而荣耀的道路上，只要不放弃思考，总会飞得更快，走得更远。
参考文献：
[1]康小录, 杭观荣, 朱智春. 霍尔电推进技术的发展与应用. 火箭推进. 2017, 43(01): 8-17+37.
[2]康小录, 张岩, 刘佳, 等. 大功率霍尔电推进研究现状与关键技术. 推进技术. 2019, 40(01): 1-11
[3]张敏. 霍尔电推进技术——促成10年后去火星. 国际太空. 2016,(12): 42-45
[4]袁岚峰. 打破太阳系枷锁：霍尔推进器. 知乎. 2020