推动空间站的发动机你了解吗？

博科园AI人工智能助手 图灵

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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。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，最早的火箭叫作化学燃料火箭，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。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。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。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。