霍爾推進(jìn)器：人類太空探索的未來動(dòng)力？

鹿鳴

2017年5月7日，執(zhí)行第4次任務(wù)的美國(guó)X-37B空天飛行器在完成718天的在軌飛行后，返回肯尼迪航天中心。作為美國(guó)空軍的軌道試驗(yàn)飛行器，X-37B的多次任務(wù)均未公布細(xì)節(jié)。這幾次飛行，帶來什么載荷上去，又進(jìn)行了哪些試驗(yàn)，往往不為人知。而這次X-37B的飛行任務(wù)，從美國(guó)軍方無(wú)意間透露的信息來看，可以確認(rèn)上面搭載了霍爾推進(jìn)器。那么，霍爾推進(jìn)器是怎樣的一種設(shè)備？作為電推進(jìn)系統(tǒng)中的一員，霍爾推進(jìn)器與傳統(tǒng)的化學(xué)火箭推進(jìn)器之間又有什么區(qū)別呢？未來人類將會(huì)用霍爾推進(jìn)器執(zhí)行怎樣的任務(wù)呢？

霍爾推進(jìn)器

1879年，美國(guó)物理學(xué)家霍爾于在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電壓。這個(gè)電壓叫做霍爾電壓。這—現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。

然而，雖然美國(guó)人發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但是世界上第一臺(tái)霍爾推進(jìn)器卻是蘇聯(lián)科學(xué)家研制成功的。

1962年，蘇聯(lián)科學(xué)家莫羅佐夫提出了靜態(tài)等離子推進(jìn)器（Stationary Plasma Thruster，簡(jiǎn)稱SPT）的概念。推進(jìn)劑氣體一部分通過陽(yáng)極進(jìn)入環(huán)形放電室，—部分進(jìn)入空心陰極。在推進(jìn)器內(nèi)部，有一對(duì)互相垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)（電場(chǎng)沿軸向方向，磁場(chǎng)沿徑向方向）?？招年帢O是一個(gè)維持穩(wěn)定放電的電子源。其產(chǎn)生的電子在徑向磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用下，形成了一個(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)的電子束。這個(gè)電子束便是霍爾電流的來源?；魻栯娏髟诖艌?chǎng)中產(chǎn)生霍爾效應(yīng)。在軸向電場(chǎng)的相互作用下，歡騰的電子與推進(jìn)劑激烈碰撞并使推進(jìn)劑電離。在電磁場(chǎng)的作用下，推進(jìn)器內(nèi)部的離子產(chǎn)生軸向加速度，并最終高速噴出，形成推力。

近幾十年來，人類科學(xué)家和工程師不斷努力，也就終于使得霍爾推進(jìn)器得到了工程應(yīng)用。當(dāng)離子推進(jìn)器的工質(zhì)采用氙后，就成了氙離子推進(jìn)器（XIPS），該推進(jìn)器與穩(wěn)態(tài)等離子推進(jìn)器（SPT）（屬于霍爾推進(jìn)器的一種）一起，成為目前和可預(yù)見的將來使用得最為廣泛的電推進(jìn)系統(tǒng)。

2006年發(fā)射的TacSat-2衛(wèi)星、2010年發(fā)射的美國(guó)軍用通訊衛(wèi)星USA-214和美國(guó)軍用小衛(wèi)星USA-221、2012年發(fā)射的美國(guó)國(guó)家偵察局用衛(wèi)星USA-235等衛(wèi)星都使用了霍爾推進(jìn)器。

2001年至2006年期間發(fā)射的以休斯公司的“HS-601HP”平臺(tái)為基礎(chǔ)的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亞洲4號(hào)、Galaxy 13、MEASAT 3等衛(wèi)星和深空1號(hào)探測(cè)器、黎明號(hào)探測(cè)器以及2015年3月初發(fā)射的波音702SP（世界上首款全電推進(jìn)衛(wèi)星）則采用了氙離子推進(jìn)器。

不過，目前霍爾推進(jìn)器的進(jìn)一步軍用化和普及化則尚需時(shí)日。這也就是近日剛剛返回地面的X-37B空天飛行器升空的一個(gè)重要原因，即全面測(cè)試新型的霍爾推進(jìn)器。

有人說電推進(jìn)技術(shù)將會(huì)立刻替代化學(xué)推進(jìn)技術(shù)成為衛(wèi)星和深空探測(cè)器的主要?jiǎng)恿?。但是也有人認(rèn)為電推進(jìn)技術(shù)尚處在萌芽階段，尤其是推力太小，尚不能馬上全面替代化學(xué)推進(jìn)技術(shù)。

的確，無(wú)論是霍爾推進(jìn)器還是氙離子推進(jìn)器，它們的推力都實(shí)在是太小了。以深空1號(hào)為例，她上面搭載的離子推進(jìn)器功率為2.3千瓦，其峰值推力約為92毫牛。無(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)功率還是推力，深空1號(hào)的離子推進(jìn)器都已經(jīng)算是同類推進(jìn)器中較大的了。一張80g的A4紙的質(zhì)量約為4.99克。這張紙?jiān)谠蹅兊厍蛏纤艿闹亓s為48.9毫牛。也就是說，深空1號(hào)深空探測(cè)器的離子推進(jìn)器火力全開的時(shí)候，其推力也不足以托起兩張A4紙。

但是，就是這樣纖弱的力量，卻能夠在近地軌道衛(wèi)星和遠(yuǎn)程星際探索中使離子推進(jìn)器和霍爾推進(jìn)器勝過了火力威猛的化學(xué)推進(jìn)器。

我們不再去比較化學(xué)推進(jìn)器和電推進(jìn)器在比沖方面的差別，這樣的比較會(huì)出現(xiàn)在大量的文獻(xiàn)中，而結(jié)論也無(wú)非是：雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)的比沖一般在300秒左右，而波音702SP全電衛(wèi)星上的XIPS-25電推進(jìn)系統(tǒng)的比沖已經(jīng)達(dá)到了3 800秒以上，因此電推進(jìn)系統(tǒng)比化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)越很多。這樣的評(píng)價(jià)顯得有些抽象。

在這里，我們比較的是二者的噴氣速度。并祭出先驅(qū)齊奧爾科夫斯基（搖籃叔）的大殺器：齊式火箭方程來給化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)二者做個(gè)了斷。“天下武功，唯快不破”，李小龍的這句名言道出了火箭推進(jìn)系統(tǒng)的真諦。從搖籃叔的火箭方程中，我們可以看到，影響火箭最終速度（或者說速度增量）的因素有兩個(gè)：一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣速度，另一個(gè)是火箭發(fā)射質(zhì)量與扣除燃料后的干質(zhì)量的比值。如果一個(gè)火箭擁有很快的噴氣速度，那么就會(huì)給火箭帶來很大的優(yōu)勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)一：在同樣的速度增量的要求下，較大的噴氣速度意味著較小的發(fā)射質(zhì)量與干質(zhì)量的比值。對(duì)于帶有同樣載荷的衛(wèi)星來說，其發(fā)射質(zhì)量會(huì)大幅減小。

按照目前的價(jià)格來算，僅發(fā)射費(fèi)用就可以省下將近6 000萬(wàn)美元。另外，2噸級(jí)的衛(wèi)星質(zhì)量使得能夠發(fā)射波音702SP衛(wèi)星的火箭種類變得更多，使該星有更好的議價(jià)能力，還能讓很多衛(wèi)星以“一箭雙星”的形式來發(fā)射。對(duì)于要在軌道上長(zhǎng)期服役的衛(wèi)星來說，電推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)就更明顯了。一顆重4.8噸的以化學(xué)火箭來維持軌道高度的壽命達(dá)1 5年的衛(wèi)星，其燃料儲(chǔ)箱中帶的燃料重達(dá)3噸。有效載荷的質(zhì)量差不多只有燃料質(zhì)量的一半。如果將這顆衛(wèi)星升級(jí)為電推進(jìn)衛(wèi)星的話，只需不到200千克的氙就能完成同樣的使命。

不過，電推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)器的推力太小了，這讓衛(wèi)星的入軌過程變得相當(dāng)漫長(zhǎng)。這就對(duì)衛(wèi)星的壽命和抗輻射能力提出了不小的挑戰(zhàn)。弄不好，衛(wèi)星可能最終贏得了軌道卻輸給了歲月。

優(yōu)勢(shì)二：電推進(jìn)系統(tǒng)即使在目前這個(gè)萌芽狀態(tài)下，也已經(jīng)能夠賦予深空探測(cè)器以極快的速度，并且這樣的速度是化學(xué)推進(jìn)器難以企及的。這個(gè)優(yōu)勢(shì)用文字描述的話，終會(huì)顯得枯燥。不妨讓化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)各選出一個(gè)代表來進(jìn)行一場(chǎng)星際賽跑。畢竟一切不用數(shù)據(jù)來說明問題的討論都是不太好的嘛。

一場(chǎng)星際賽跑

我們不妨用發(fā)射質(zhì)量達(dá)到了輕巡洋艦級(jí)別的土星5號(hào)火箭上面的F1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)與總重不到500千克的深空1號(hào)來一場(chǎng)星際賽跑。

一臺(tái)F1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為6909千牛（大約能舉起705噸的重物，相當(dāng)于54輛加長(zhǎng)型公交車），比航天飛機(jī)的3臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)的推力加起來還要大（約為航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)推力的3.8倍）。這個(gè)大家伙1秒鐘就要燒掉約2.66噸燃料。在阿波羅計(jì)劃中，F(xiàn)1發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間約為159秒，燃?xì)鈬娏鞯乃俣燃s為2 596米/秒。單臺(tái)F1發(fā)動(dòng)機(jī)需要燃料423.099噸。

按照火箭燃料占火箭總質(zhì)量的85%這一指標(biāo)來設(shè)計(jì)一枚參賽用的火箭，則火箭的發(fā)射質(zhì)量為497.3235噸，其中F1發(fā)動(dòng)機(jī)本身的燃盡質(zhì)量為9.15噸，火箭殼體和有效載荷的總質(zhì)量為65.51 45噸。

深空1號(hào)探測(cè)器的離子推進(jìn)器的推力約92毫牛，連兩張疊在一起的A4紙都吹不起來。該推進(jìn)器要用5天零19個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能用去1千克燃料。深空1號(hào)的發(fā)射質(zhì)量為486.3千克，其中燃料只有81_5千克（約占16.8%）。不過，深空1號(hào)上的推進(jìn)器有一個(gè)指標(biāo)非常耀眼：噴流的速度為43 000米/秒（是F1發(fā)動(dòng)機(jī)的16.6倍，約為真空中光速的1.4萬(wàn)分之一）。

比賽一開始仿佛沒有什么懸念，F(xiàn)1發(fā)動(dòng)機(jī)力量強(qiáng)，加速快，10s后，她的速度已經(jīng)達(dá)到了142.6米/秒（時(shí)速513.4千米）。

而深空1號(hào)探測(cè)器并不著急，此時(shí)她的速度為1.88毫米/秒，得仔細(xì)看才能確信她在動(dòng)。159秒后，F(xiàn)1發(fā)動(dòng)機(jī)以飛出274.6千米，并且將最終速度鎖定在4.925千米/秒。此時(shí)，深空1號(hào)飛出了2.374米，速度2.98厘米/秒，比小螞蟻爬行的速度還要慢?；蛟S有人會(huì)認(rèn)為這時(shí)應(yīng)該結(jié)束比賽并宣布化學(xué)火箭F1完勝了。畢竟，274.6千米與2.374米的差距還是蠻大的，如果他們都是從北京市中心上空出發(fā)的話，F(xiàn)1已經(jīng)飛到了山東省，而深空1號(hào)剛剛從床上爬起來走向衛(wèi)生間。

不過，星際賽跑拼的是最終速度，而不是短距離的沖刺速度。從159秒之后，F(xiàn)1的速度就不再增加，而深空1號(hào)則鍥而不舍地做著加速運(yùn)動(dòng)。15個(gè)小時(shí)過去了，深空1號(hào)來到了F1發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到她的最大速度的地方（河北衡水上空），時(shí)速為36.5千米。那些曾經(jīng)笑話她比蝸牛還慢的人，此時(shí)騎著自行車也很難追上她了。不過，她離F1還是越來越遠(yuǎn)。抬頭望去，F(xiàn)1在25.45萬(wàn)千米處。1天后，深空1號(hào)走了700多千米，時(shí)速為57.6千米。3天后，深空1號(hào)的時(shí)速超過了175千米，并且走了6300千米遠(yuǎn)。6個(gè)月過去了，深空1號(hào)的速度達(dá)到了3千米/秒，距離F1還有5千萬(wàn)千米。10個(gè)月后，奇跡出現(xiàn)了。深空1號(hào)的速度居然超過了F1，達(dá)到了5.1千米/秒。14個(gè)多月后，深空1號(hào)的燃料終于燃燒殆盡，她達(dá)到了她的最終速度：7.89千米/秒。18個(gè)多月后，深空1號(hào)趕上并超過了F1。這時(shí)，她們已經(jīng)飛了2.23億千米。深空1號(hào)在F1進(jìn)入木星軌道之前超過了她，并且將會(huì)一直保持著領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。

這場(chǎng)史詩(shī)級(jí)的賽跑最終以電推進(jìn)的勝利而告終。但是，深空1號(hào)這個(gè)選手其實(shí)并沒有為贏得比賽而進(jìn)行特殊改裝。

為了充分表現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)在星際遠(yuǎn)征時(shí)代能夠達(dá)到多大的最終速度，我們給她加注了足夠的燃料，像填滿化學(xué)火箭那樣，讓其燃料質(zhì)量占發(fā)射質(zhì)量的85%。那么，電推進(jìn)系統(tǒng)能使探測(cè)器擁有的最終速度為81.58千米/秒！這個(gè)速度足夠讓探測(cè)器飛出太陽(yáng)系，飛向浩淼的星辰大海。

當(dāng)然，我們也不能盲目樂觀。以這個(gè)速度在太陽(yáng)系內(nèi)進(jìn)行短途旅行還是可以接受的，但是想要進(jìn)行太陽(yáng)系外的星際遠(yuǎn)征，還是有些慢。以目前的電推進(jìn)系統(tǒng)為動(dòng)力的星際飛船，到達(dá)離咱們最近的恒星半人馬座α星C需要3 677年，實(shí)在是有些太漫長(zhǎng)了。因此，星際遠(yuǎn)征的時(shí)代只能說是近了，而不能說是到了。

大膽展望未來

能否用霍爾推進(jìn)器讓飛船從地面進(jìn)入地球軌道呢？電推進(jìn)系統(tǒng)能不能在大氣層內(nèi)高效運(yùn)作呢？想要告別化學(xué)火箭，用電推進(jìn)系統(tǒng)來讓航天器入軌可行么？星際遠(yuǎn)征的飛船能不能就這么從地面起飛然后直接奔向遠(yuǎn)方呢？既然科幻電影里面大多是這么演的，咱們也就不得不這么算一算咯。

目前推力非常大的電推進(jìn)系統(tǒng)中有個(gè)叫NEXT的。它是NASA的得意之作，其功率達(dá)到了6.9千瓦，是深空1號(hào)和黎明號(hào)上用的離子推進(jìn)器的3倍。她的效率能夠達(dá)到70%。以她為動(dòng)力的探測(cè)器能夠?qū)?噸重的載荷送到土星軌道上。

而它的推力有多大呢？答案是：0.236牛。也就是說，在地球上，兩臺(tái)NEXT離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推力加起來能夠勉強(qiáng)舉起一只個(gè)頭兒比較小的雞蛋。單臺(tái)電推進(jìn)系統(tǒng)的推力較小，咱們把她們捆綁起來一起啟動(dòng)會(huì)怎樣呢？10臺(tái)不夠的話，綁個(gè)百萬(wàn)臺(tái)怎樣？

然而，仔細(xì)計(jì)算后，我們發(fā)現(xiàn)：捆綁是解決不了問題的。NEXT的質(zhì)量與功率比是4.8，也就是說1千瓦的功率對(duì)應(yīng)4.8千克的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量。這個(gè)值在電推進(jìn)系統(tǒng)中算是比較小的了，上一代的霍爾推進(jìn)器的質(zhì)量功率比普遍在6左右。如此看來，電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)連自己的外殼都抬不動(dòng)，捆綁再多也是無(wú)濟(jì)于事的。目前看來只能寄希望于人們把質(zhì)量功率比做得越來越小，當(dāng)電推進(jìn)系統(tǒng)至少能把自己推起來的時(shí)候，事情就好辦一些了。

不過，我們可不想就這么坐等那一天的到來，還是折騰一番才能對(duì)得起這大開的腦洞吧。按照目前霍爾推進(jìn)器的功率與推力的比例關(guān)系，我們極大地變大推進(jìn)器的尺寸，然后將其安裝到一艘100噸重的星際飛船上。那么，我們需要飛船的動(dòng)力系統(tǒng)能夠提供給推進(jìn)器的電功率至少為28653兆瓦才能使飛船飛離地面，需要約115 000兆瓦以上的電功率才能讓飛船以現(xiàn)今化學(xué)火箭的加速度發(fā)射。

這樣的電功率是什么概念呢？2009年8月14日，長(zhǎng)江迎來了一個(gè)汛期洪峰。當(dāng)天，三峽水電站首次實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)后的滿負(fù)荷發(fā)電，發(fā)出的功率為1 820萬(wàn)千瓦，也就是18 200兆瓦。要想讓100噸重的星際飛船進(jìn)入近地軌道的話，需要這艘飛船的電功率頂?shù)蒙?.3個(gè)三峽水電站。

但是就算這樣的超級(jí)發(fā)電裝置已經(jīng)能夠裝到飛船上，電推進(jìn)系統(tǒng)在地面起飛階段仍然還是比較困難的。這個(gè)困難不僅來自于技術(shù)本身，還來自于對(duì)發(fā)射成本的考慮。無(wú)論是離子推進(jìn)還是霍爾推進(jìn)，都需要以高速噴出的離子為工質(zhì)。

氙以其易電離、離子重和對(duì)飛行器比較友好等特點(diǎn)成為了電推進(jìn)系統(tǒng)中的優(yōu)質(zhì)工質(zhì)，而且目前尚難被其他工質(zhì)替代（即使用氙的近親氪來代替，效率也會(huì)驟降15%左右）。但是，氙實(shí)在是太稀少了，在地球大氣層中的含量只有1150萬(wàn)分之一。提取1升的氙氣需要消耗220度電。在起飛階段，為了產(chǎn)生大推力，需要將工質(zhì)以很大的質(zhì)量流量噴出去。按照目前的電推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)水平，噴流速度能夠達(dá)到43 000米/秒，那么為了把星際飛船發(fā)到近地軌道，每秒鐘至少要消耗91.16千克的氙。要知道，81千克的氙就足夠讓一個(gè)半噸重的探測(cè)器去探測(cè)彗星了。

因此，即使今后電推進(jìn)技術(shù)得到了極大發(fā)展，出現(xiàn)了十萬(wàn)兆瓦級(jí)的電推進(jìn)器或者推力為數(shù)萬(wàn)牛的霍爾推進(jìn)器，也不會(huì)用他們把星際飛船從地面發(fā)射到近地軌道，因?yàn)檫@實(shí)在是過于暴殄天物了。當(dāng)然，如果人類科技那時(shí)候已經(jīng)發(fā)達(dá)到能夠在木星大氣層中提取氙氣的時(shí)候則另當(dāng)別論。

一種比較可行的方案是：用核能發(fā)電，在起飛階段，將液態(tài)氫噴到核發(fā)電系統(tǒng)的熱交換器上，并高速噴出，產(chǎn)生強(qiáng)大的推力，將飛船推向近地軌道。在太空環(huán)境中，采用氙為工質(zhì)，用霍爾推進(jìn)的方式，讓飛船持續(xù)加速，直到達(dá)到令人滿意的星際航行速度。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)