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什么是霍尔推进器?只能推动一张纸,却成为多国追捧的黑科技

谈心科技迷
谈心科技迷
2022-05-22 08:27:09

中国空间站“第一块积木”——天和核心舱于2021年4月29日于海南文昌航天发射场发射成功,为“天和号”提供推进力的是由中国研制、受到多国广泛欢迎的“黑科技”霍尔推进器。 霍尔推进器的工作原理很简单,就是通过磁场将永磁体吸附到物体上,从而改变其运动方向。这种方式可以使物体以任意角度转动或匀速直线移动,甚至还能实现自动刹车等功能。 这就是黑科技的原因,因为霍尔推进器实际上只有80毫牛气,基本上只推了一张纸。

那个推力如此微小的霍尔推进器如何实现了对天空与核心舱的推进? 它能在多大程度上满足人类对宇宙探索的需求?"这可是个谜。"美国宇航局(NASA)工程师马克·罗森在近日出版的《自然》杂志中写道。 为什么它会受到多国的追捧?

在这之前,我国飞船及卫星发射基本上采用火箭发动机作为动力源,即在火箭内部推进剂箱中使用助燃氧化剂及燃料,在燃烧过程中形成高速射流,经过牛顿第三定律的作用下,向相反方向移动,从而形成推力,简言之与喷气发动机原理类似。

但尽管火箭发动机推力很大,但同时需要耗费大量的助燃氧化剂及燃料,并且因为在太空补充燃料是一个问题,因此成本较高的火箭发动机基本为一次性使用,浪费很大。 为了解决这个问题,科学家们开始研究一种新的推进方式——火箭推进器,因为火箭推进器可以很好地利用地球大气层内产生的氧气来推动飞机前进。火箭推进器在国外已经得到广泛推广运用。 不过,霍尔推进器在很大程度上能改善这一浪费状况。

霍尔推进器(Hall Twitter)又称等离子体霍尔效应推进器(Plasma Hall Electronic Twitter),仅使用相对较少的燃料即可实现较快的转速,其燃料用量不足火箭的十分之一。 这种技术目前在航天领域已经得到了应用。 且无需氧化剂助燃,仅需氙气1种燃料即可。

由于霍尔推进器把电子放置在磁场内产生电场,电场又把带电离子加速并喷射出去,从而形成速度远远高于化学推进速度的等离子体射流,利用工质动能驱动飞行器。

霍尔推进器虽然推力较小,但在太空真空环境下并不存在空气阻力,霍尔推进器80毫牛的推力不但完全足以将天和号的核心舱推入,甚至有助于空间站更方便地对接。

而“天和”号核心舱采用了中国空间技术集团公司801研究所自主研发的LHT-100霍尔推进器,这是目前最为先进的霍尔推进器,其最大优点是比冲高3000多秒钟。

而值得一提的是霍尔推进器不但比推力大,而且通常与火箭相比它的体积只能说很小,很容易用于深空探测器及小型卫星,甚至用于向太空运送大量的货物或在火星上建基地。 这一点对于未来的航天技术来说,无疑具有重大战略意义。而它本身所产生的能量又足以让地球人感到震撼。所以霍尔推进器已经成为了人类探索宇宙最重要的工具之一。 可以说,随着霍尔推进器的出现,人类对于星辰大海的更深探索,也就不会遥遥无期。

这就是为什么霍尔推进器从其最初的研究和开发开始就受到前沿航天技术中多国的普遍欢迎。 在上世纪50年代末至70年代初,美国和前苏联政府都曾先后开展过相关研究工作,并取得了一些成果。但是由于当时的条件限制,这些研究成果未能得到广泛推广使用。 冷战期间,美苏两国开始研制霍尔推进器。

苏联霍尔推进器

1972年,苏联研制的霍尔推进器第一次用于流星-1气象卫星。 此后,美国、俄罗斯和欧洲等国家也相继研发出自己的霍尔推进器。但由于种种原因,这些技术一直未能得到广泛应用。直到1990年代,随着航天事业的快速发展,霍尔推进器才开始崭露头角。 吃苦头的苏联在以后10多年的卫星开发中使用霍尔推进器,致力于二代系列卫星的开发。

美国霍尔推进器

美国也不甘人后,于20世纪90年代开始大规模采用霍尔推进器,开发出目前全球推力最大的霍尔推进器。

中国霍尔推进器

尽管中国从20世纪90年代后期才开始对霍尔推进器进行研究,但是得益于中国航天技术的快速发展以及科研人员的持续努力,现在中国在霍尔推进器研发方面也算是后来者居上,从毫牛级霍尔推进器一跃成为牛级霍尔推进器。

然而尽管霍尔推进器使星辰大海不再成为梦想,但因其推力较低,仅在无空气阻力的真空环境下使用。 而目前,在地球上已经有很多科学家成功研制出了类似的霍尔推进器,但都存在着一些问题。比如,它们只能使用较短的时间来达到目标;而且需要较大的空间尺寸。 因此霍尔推进器要想达到改变小行星轨道,远距离飞行以及长时间连续推进等目的,就必须进一步提高其推力。