僅有吹灰之力，這是什么奇怪推進(jìn)器

中國空間站上裝備了4臺(tái)特殊發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然只有吹灰之力，卻意義重大。這是全球第一次在載人任務(wù)中使用這類設(shè)備。我國在這個(gè)領(lǐng)域曾經(jīng)落后于國外，但隨著近些年開始發(fā)力，成果不斷涌現(xiàn)，甚至已經(jīng)呈趕超之勢。

神舟十五號與神舟十四號的航天員在400千米高度的太空順利會(huì)師，6位彼此間無比熟悉的戰(zhàn)友闊別數(shù)月，在失重狀態(tài)下重逢，讓人別有一番感觸。如今，航天員通常要在空間站工作生活數(shù)月，那么你是否想過，在400公里的高空，在稀薄大氣和微弱阻力的影響下，幾個(gè)月下來，空間站是否會(huì)有速度損耗、高度降低的情況發(fā)生？答案是肯定的。

如果不加干涉，空間站每天都會(huì)往下掉一點(diǎn)點(diǎn)。即便是遠(yuǎn)在400公里的高空，保持軌道這件事，還是十分重要的。

為了彌補(bǔ)軌道損失，空間站和衛(wèi)星都需要定期進(jìn)行軌道維持，用動(dòng)力提升軌道高度，天宮當(dāng)然也不例外。只不過，這次天宮配備的發(fā)動(dòng)機(jī)有些奇怪—百噸級的空間站，使用的一款發(fā)動(dòng)機(jī)推力卻只有80毫牛。

80毫牛是什么概念？在地球上，這點(diǎn)力只夠托起2張A4紙，可以說僅僅是吹灰之力了。然而，這種只有吹灰之力的發(fā)動(dòng)機(jī)背后，展現(xiàn)的卻是世界級的先進(jìn)水平。那么問題來了，使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)有何目的，有什么優(yōu)勢？中國與國外相比，技術(shù)水平到底如何？

吹灰之力雖小，效率提升10倍

我們常見的化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是通過化學(xué)物質(zhì)燃燒來產(chǎn)生反作用力的，氣體噴射的速度越快，也就是比沖越高，火箭的推力就越大，效率也就越高。但是目前，人類可用的化學(xué)燃料比沖基本上已經(jīng)到達(dá)極限，很難再有大的突破。那么，想要獲得持久的推力，就只能不斷增加燃料的數(shù)量了。

一些在太空中的衛(wèi)星為了保持軌道、延長工作壽命，只能攜帶大量燃料。這些燃料有多重呢？一顆5噸重的同步衛(wèi)星，其中就有3噸是燃料。燃料雖然只是配角，卻在質(zhì)量上占了大頭，顯然已經(jīng)本末倒置。這時(shí)，這款擁有吹灰之力的發(fā)動(dòng)機(jī)就凸顯出自己的優(yōu)勢了，它就是霍爾效應(yīng)電推進(jìn)器，也就是常說的霍爾電推。

霍爾電推的原理就是將離子物質(zhì)用強(qiáng)磁場發(fā)射出去，產(chǎn)生反作用力，其比沖是化學(xué)燃料的至少10倍。除了比沖高，霍爾電推的另一個(gè)價(jià)值，就是將太空中取之不盡的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。因此，霍爾電推又叫“等離子推進(jìn)”，工作時(shí)會(huì)發(fā)出藍(lán)綠色光芒，跟科幻大片里的飛船很像。如今，中國人第一個(gè)把它用在了載人航天任務(wù)上。

靠著高比沖和來自外界的能量，讓霍爾電推獲得了非常高的工作效率，只用500公斤工質(zhì)（機(jī)器設(shè)備中用以實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的工作介質(zhì)），就能實(shí)現(xiàn)之前3噸燃料的效果，衛(wèi)星總重量瞬間下降一半還多。

霍爾電推有何缺點(diǎn)？

霍爾電推相比化學(xué)動(dòng)力，最大的缺點(diǎn)就是推力太小。

天宮使用的4臺(tái)HET-80霍爾電推，單臺(tái)推力83毫牛，功率1350瓦，全加起來也只能托起8張A4紙。這種級別的推力，在現(xiàn)實(shí)中幾乎無效，但好在太空比較特殊。由于軌道上的阻力比較微弱，霍爾電推可以說是棋逢對手，正好用微小推力對抗微小阻力，還能長時(shí)間工作，用時(shí)間換效果。

中國的電推技術(shù)逐步反超

我國的電推技術(shù)因?yàn)檠邪l(fā)條件有限、經(jīng)費(fèi)緊張等原因，此前發(fā)展比較緩慢。俄羅斯下手相對較早，大功率電推技術(shù)曾經(jīng)獨(dú)步全球，已經(jīng)能生產(chǎn)推力達(dá)到1.5牛的電推，功率超過千瓦級，還造出了140千瓦的全球最高功率電推D-160。但是近十幾年，俄羅斯在航天領(lǐng)域的投資大幅度縮減，目前這一技術(shù)已被美國趕超。

2018年美國研制成功的5.4牛、100千瓦的電推X3，是目前世界上推力最大的型號。相比之下，歐洲此前曾與俄羅斯合作，獲得了不少技術(shù)支持，電推已經(jīng)能突破1牛，但后續(xù)進(jìn)展不是太快。

隨著近些年國家在航天領(lǐng)域發(fā)力，我國的電推技術(shù)開始突飛猛進(jìn)，與國外差距正在迅速縮小，還有趕超之勢。中國空間站上的霍爾電推，推力只有83毫牛，但這是人類首次在載人航天領(lǐng)域使用電推設(shè)備。該設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命超過3萬小時(shí)，是國際上最復(fù)雜、最長壽的電推系統(tǒng)。我國電推技術(shù)還在其他多個(gè)領(lǐng)域過關(guān)斬將，穩(wěn)步推進(jìn)，目前已實(shí)現(xiàn)100瓦—100千瓦全覆蓋，大、中、小電推全面發(fā)展。

推力上，2020年我國已經(jīng)突破“牛級”，造出1.07牛的霍爾電推進(jìn)器，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際最高水平。2021年再接再厲，100千瓦、2～5牛的樣機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定點(diǎn)火。2022年，我國氙工質(zhì)霍爾電推HET-2000HP，比沖超過5300秒，打破俄羅斯同類產(chǎn)品的世界紀(jì)錄，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

大功率、大推力的電推進(jìn)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)深空探索開發(fā)的重要助力，也是一項(xiàng)跨時(shí)代的太空技術(shù)。在這個(gè)領(lǐng)域，我國不但有望與其他太空強(qiáng)國比肩，甚至局部領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)反超，未來可期。

本文內(nèi)容來自“王亞男航空說”百家號