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    推动空间站的发动机你了解吗?

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      牛顿

      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。
      推动空间站的发动机你了解吗?

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      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

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