在过去，不管是运载火箭还是宇宙飞船，一般都是将化学燃料作为主要助推器，但是现在为了达到更好的效果，各国都在不断研制和发展霍尔推进器。

现在，位于太空中的天宫空间站，使用了4个推力为80毫牛，也就是0.08牛的霍尔推进器。

接下来我们就来了解一下，推力只有0.32牛的中国霍尔推进器，为什么能推动50吨重的空间站。

火箭发射使用化学燃料

空间站分为单一式和组合式，中国的天宫空间站属于第二种，是现存于太空中的第二个空间站。

目前天宫空间站仍处于建设中，除了天和核心舱之外，还有天舟三号、四号和神州十四号载人飞船。

根据计算各舱段和飞行器的重量，现在整个空间站有50吨重，等到问天实验舱和梦天实验舱成功对接后，天宫空间站将达到100吨级的规模。

这样大型的飞行器，真的不会从轨道上掉下来吗？

天宫空间站构想图

近地轨道的范围比较广泛，一般认为是高度在2000公里以下的地方。

理论上说，位于此处的卫星和飞行器不会掉下来，因为这里的空气阻力已经为0，所以它能够依靠惯性一直围绕地球做近似圆周运动。

不过并不是所有范围内的近地轨道都没有空气，就像天宫空间站所在的390公里处的地方，还有一定稀薄的大气。

尽管天宫空间站的飞行速度为7.68公里/小时，但是这在一定程度上还是会受到阻碍。

天宫空间站

就拿国际空间站来说，它也会受到一定的阻力下降，每个月都会下降2公里，所以为了避免坠落在地球上，就必须通过启动轨道发动机来抬升轨道。

所以国际空间站每年都需要耗费7.2吨推进剂来保持轨道高度，每年的花费几乎超过2亿美元。

当然天宫空间站也面临同样的问题，但是不同的是，除了在天和核心舱中配备了26台以化学燃料作为推进剂的发动机外，同时还第一次用了4台霍尔推进器。

霍尔推进器

早在上世纪60年代，我国航天之父钱学森，就一直在推动中科院电工所启动对霍尔推进器的研究。

霍尔推进器同样需要使用推进剂，比如氙气和氩气等，但是并非用来燃烧。

在霍尔效应下，电子等离子体发射出电子，带负电的离子在磁场的加速后，撞击推进剂。

如果此时用到的是属于氙气，那么这些高能电子撞击它时，就会出现电离，释放出电子后成为氙离子。

伟大科学家钱学森

这时在电场的加速作用下，氙离子会被加速到15-30公里/秒，有的甚至可以达到80公里/秒。

氙离子高速喷出时，会吸引相同数量的电子，随即产生没有静电荷的等离子体羽流。

所以霍尔推进器不需要推进剂发生化学反应，仅需要为其提供电能就可以推动50吨的空间站。

相比传统的燃料推进器，霍尔推进器具有极大的优势。

霍尔推进器

现在我们衡量力的单位为牛，在地球上，一颗鸡蛋的重量经过换算后大约为0.5牛，而中国4个霍尔推进器的推力才0.32牛。

事实上现在的霍尔推进器最多只能达到牛级，而燃料推进器则为千牛级。

但从这样的数据来看，二者差异确实很大，但其实对于位于空气阻力极小环境中的空间站来说，这一点力已经足够推动它了。

发出不同光亮的霍尔推进器

霍尔推进器具有更大的比冲

在航天领域，推进器比冲的大小更具重要性，而比冲指的是单位推进剂生成的力量，若用重量形容推进剂的量，那么比冲对应的就是秒。

如果一个火箭发动机的比冲为200秒，那么它每使用一千克推进剂，就会产生200千克推力。

发动机的比冲越高，在同等条件下，推进剂可以产生的速度增量就会越大，此时发动机的效率也越高。

火箭发射

目前使用化学推进剂的火箭发动机中，比冲最高的是氢氧火箭发动机，但是它的比冲并没有超过500秒。

但是霍尔推进剂的比冲，甚至可以达到3000秒，两种推进剂中6倍的差异，在航天领域是相当大的突破。

所以在空间站中，使用霍尔推进剂达到的加速度，和轨道抬升的效果会更好。

相关数据显示，天宫空间站的4台霍尔推进器如果持续运行一天，能够让空间站产生大约0.7米/秒的速度增量，这对于维持空间站的高度十分重要。

霍尔推进剂比冲更高

霍尔推进器更节省燃料

根据前面所说，霍尔推进器不需要使用大量的化学燃料，只需要提供电能即可。

而这些电能，很大部分也可以来自太阳。

天宫空间站使用的太阳能电池板技术，是柔性太阳能翼，其产生的电能，在满足天和核心舱的日常用电外，也可以为霍尔推进器提供用需求。

传统的火箭发动机，耗费大量的化学燃料和氧化剂。常见的包括液氢-液氧，煤油-液氧，铝粉-高氯酸铵。

空间站上的太阳能电板

而携带火箭推进剂的数量，和火箭的效率有关，根据齐奥尔科夫斯基的火箭方程，火箭的速度增量和质量比呈对数关系。

随着推进剂的数量在增加，速度增量会越来越少。

也就是说，如果火箭的速度每增加1倍，那么携带的推进剂需要增加10倍，而当速度增加2倍时，需要携带的推进剂就要增加100倍。

这些推进剂几乎占了火箭总重量的80%多，就比如发射天和核心舱的长征5号B运载火箭，起飞时的重量达到800多吨，但是核心舱的重量却只占其中的2%多。

齐奥尔科夫斯基火箭方程

因此传统火箭发动器的有效载荷比重很低，这对我们来说，这种发动机不仅浪费资源，产生效率低，甚至还会污染大气环境。

不过需要注意的是，目前我国研发的霍尔推进器以及美国的霍尔推进器，最大功率都已经超过了100千瓦。

但是天和核心舱的太阳能电池板总面积只有134平方米，能产生的总功率为18千瓦。

所以它尚且还无法让霍尔推进器发挥到极致，并且在很大程度上，还是会依靠宇宙飞船的补给。

霍尔推进器的耗电需要解决

不过如果没有特殊需求，并不需要打开全部霍尔推进器。

像日本发射的隼鸟2号深空探测器，同样安装了4台霍尔推进器，其推力只有28毫牛，平时运作只需要3个，所以空间站或许也是如此。

当然，即便是需要补给飞船提供推进剂，那需要的数量也会比国际空间站少很多。

当然，为了让空间站以及未来的航天事业发展，我们还需要进一步研发霍尔推进器。

空间站的建设

上世纪90年代末，我国才开始正式研究霍尔推进器，但尽管我们起飞的时间晚，进步却很大。

如今我国最新研制的HET-450霍尔推进器，已经得到了4.6牛的最大推力，成功达到国际领先水平，而目前科学家们就正在研究解决推进器的好点问题。

未来，随着霍尔推进器的发展，我们或许可以将其应用到星际旅行中，这样一来我们就可以以更快的速度在太空中穿梭。

不同类型的霍尔推进器

如果我们可以达到1g的加速度，那么要飞出太阳系，或许只需要500多天，而要抵达100光年之外的太空，也只需要14年。

由此可见，霍尔推进器的发明和使用，在人类航天航空事业方面，起到了重要的积极作用在过去，不管是运载火箭还是宇宙飞船，一般都是将化学燃料作为主要助推器，但是现在为了达到更好的效果，各国都在不断研制和发展霍尔推进器