霍爾推進器其實不新鮮

司古

5月份升空的X-37B任務(wù)沒有再裹上厚重面紗，此次美國直接宣布，X-37B的主要使命是在空間對新型霍爾推進器進行測試。一時間關(guān)于霍爾推進器的關(guān)注度激增，其實這種推進器雖然可稱為新概念推進器，但其實算不得新鮮。

霍爾推進器得名于1879年美國物理學家霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應，它是一種通過電場來加速推進介質(zhì)的離子推進器。霍爾推進器先通過磁場捕捉并加速電子，然后用它們使推進劑離子化，并利用電場加速離子來產(chǎn)生推力，最后在尾焰里對離子進行中和。通過這種方式，霍爾推進器可以把離子加速到每秒10～18千米噴出，許多型號的離子噴射速度可達15～30千米/秒，比沖高達1 500～3 000秒?；魻柾七M器使用的推進劑并不唯一，但最為常用的是氙氣，其他推進劑則包括氪、氬、鉍、碘、鎂等。

美國和蘇聯(lián)很早就意識到了霍爾推進器的潛力，自上世紀60年代起，兩國分別對此展開了研究。但美國后來中止了研究，而蘇聯(lián)則率先開發(fā)出實用型SPT和DAS兩個系列產(chǎn)品。1971年12月發(fā)射的蘇聯(lián)探測器上，就裝上了SPT-50霍爾推進器，主要用于穩(wěn)定衛(wèi)星姿態(tài)。自那時起直到上世紀90年代末，蘇聯(lián)/俄羅斯航天器上總計使用過近200個霍爾推進器，其中一些仍在工作，據(jù)說從未發(fā)生過故障。第一代SPT推進器中，SPT-50和SPT-60推力分別為20和30微牛。1982年推出的SPT-70和SPT-100推力分別為40和83微牛。俄羅斯時代，一批功率更大的霍爾推進器相繼投入使用。

蘇聯(lián)解體后的1992年，美國從俄羅斯獲得了霍爾推進器，此后美國和歐洲一些航天器也開始應用。鑒于這種推進器的高可靠性和簡單結(jié)構(gòu)，美國、法國、意大利、日本等國都加大了研究力度。2003年歐空局發(fā)射的“智慧”1號（SMART-1）月球探測器就安裝了霍爾推進器，這是霍爾推進器首次進入月球軌道。2010年8月美國發(fā)射的軍用先進極高頻通信衛(wèi)星上采用的Aerojet BPT-4000型霍爾推進器，是第一種安裝在實用太空設(shè)備上的美制霍爾推進器。BPT-4000額定功率4.5千瓦，算是進入太空的霍爾推進器中功率最大的，除了幫航天器調(diào)整姿態(tài)，BPT-4000還能讓它們提高軌道。

其實高中物理知識就能講清楚霍爾推進器的基本原理。它的核心就是一個利用高壓電極構(gòu)建的軸向電場和一個利用線圈構(gòu)建的內(nèi)輻射狀磁場。當電子流從外環(huán)的負極和內(nèi)環(huán)的正極流動時，就會受到強大的內(nèi)輻射狀磁場作用，在內(nèi)環(huán)以圓周運動方式高速“狂奔”。此時就該推進劑登場了，它必須擁有兩個特點，首先是體重要夠格，也就是原子量要夠大，其次是比較容易離子化。科學家們選用最多的是氙氣。他們把氙氣釋放機構(gòu)安裝在正極附近。當中性的氙氣被釋放后，氙原子與環(huán)道里高速瘋跑的電子會頻繁“撞車”，被撞飛電子成為正離子。帶正電的氙離子馬上也在電場的作用下加速，達到15千米/秒以上的速度，比沖達到1 500秒以上，這比固體和液體火箭發(fā)動機數(shù)百秒的比沖可強大多了。

霍爾推進器產(chǎn)生的推力根據(jù)其功率水平有所差異，1.35千瓦級的大約能產(chǎn)生83微牛推力，實驗室里大功率霍爾推進器曾產(chǎn)生過3牛頓的推力。2009年時，霍爾推進器的噴射速度最高已接近50千米/秒，效率可達45%～60%，推力40～600微牛。雖然推力非常小，但在太空微重力和微阻力環(huán)境下，這種推進器依然可以緩慢改變航天器的姿態(tài)，而且壽命較長，特別適合高價值太空戰(zhàn)略資源。目前霍爾推進器大多用來調(diào)整衛(wèi)星軌道和姿態(tài)，如果發(fā)展順利，能做出超高能的霍爾推進器，在宇宙里對飛船實施長期緩慢加速，也許它真能成為新一代無人飛船的主發(fā)動機。

責任編輯：武瑾媛