推動空間站的“耐力小勇士”霍爾電推進系統(tǒng)

杭觀榮 金廣明

使用氪（kè）氣、氙（xiān）氣（均為惰性氣體）點火的霍爾推力器（供圖/杭觀榮）

?雙環(huán)嵌套霍爾推力器點火（供圖/杭觀榮）

在太空中“掂掂斤兩”

遨游太空，也有兩種選擇

航天器遨游在太空中，會在微弱的阻力和地球、月球、太陽等引力的作用下逐漸偏離既定軌道，想要在太空中執(zhí)行軌道和姿態(tài)的變化，就需要空間推進系統(tǒng)提供相應(yīng)的推力。不同于飛機、汽車、輪船上需要混合空氣的發(fā)動機，空間推進系統(tǒng)只需利用其自身攜帶的推進劑，就可以將不同形式的能量轉(zhuǎn)換為動能。

目前，航天器采用的空間推進系統(tǒng)技術(shù)主要分為兩類：化學(xué)推進和電推進?；瘜W(xué)推進需要推進劑在燃燒室中進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫、高壓燃氣，向后噴出，產(chǎn)生推力，我們經(jīng)常在電視上見到火箭發(fā)射場景，其尾部噴出的“爆炸性”的火光和氣流便是點燃推進劑后產(chǎn)生的現(xiàn)象；電推進則是利用電能對推進劑（或推進劑燃燒后的產(chǎn)物）加熱或電離，使其加速、向后噴出，產(chǎn)生推力。

空間站核心艙霍爾電推進系統(tǒng)組成示意圖（供圖/杭觀榮）

為航天器減重

質(zhì)量流量，指單位時間內(nèi)流經(jīng)一橫斷面的流體質(zhì)量數(shù)量。由相應(yīng)公式可得出：推力=推進劑噴出的質(zhì)量流量×噴出速度。因此，在推力一定的情況下，推進劑噴出的速度越快，其質(zhì)量流量就越小，而質(zhì)量流量越小，推進劑消耗的速度就越慢。

航天器在發(fā)射時會攜帶大量推進劑，甚至遠遠超出其核心系統(tǒng)的質(zhì)量，在“太空加油”技術(shù)不能廣泛應(yīng)用的當(dāng)下，推進劑的儲備量直接關(guān)系著絕大多數(shù)航天器的使用壽命。電推進的推進劑噴出速度通常比化學(xué)推進高，就像汽車可以“百公里油耗更低”，面對同樣的任務(wù)目標，電推進可以消耗更少的推進劑。

通電導(dǎo)線位于磁場中時，可用左手定則判斷磁感線、電流和帶電粒子受力方向。四指并攏，大拇指與四指垂直，磁感線向手心方向流入，四指指向電流方向，大拇指指向即為洛倫茲力方向，因此，圖中帶電粒子受到的洛倫茲力向下

例如，1顆質(zhì)量5噸的地球同步軌道衛(wèi)星，將其化學(xué)推進換成電推進，有效載荷（直接實現(xiàn)航天器特定任務(wù)的儀器、設(shè)備、人員、試驗生物及試件等）不變的情況下，攜帶推進劑的質(zhì)量能減少多達2.5～3噸；總質(zhì)量不變的情況下，有效載荷可以翻倍增加，執(zhí)行更多任務(wù)。

眾多電推進技術(shù)中，霍爾電推進系統(tǒng)因綜合性能優(yōu)異，成為目前應(yīng)用最廣泛、推力器應(yīng)用數(shù)量最多的電推進技術(shù)。

于粒子碰撞間向前

與霍爾效應(yīng)“手牽手”

霍爾效應(yīng)是美國物理學(xué)家A·H·霍爾于1879年發(fā)現(xiàn)的一種電磁效應(yīng)，即：當(dāng)電流以垂直于磁場的方向通過磁場時，其帶電粒子的運動會在磁場中因力的作用（該力簡稱為洛倫茲力）而偏向一邊，因此產(chǎn)生電勢差即電壓，帶電粒子的受力方向可用左手定則進行判斷。

霍爾電推進系統(tǒng)的核心——霍爾推力器，全名“霍爾效應(yīng)推力器”，主要由霍爾加速器和空心陰極兩大部分組成。

霍爾加速器

主要有放電室、內(nèi)外磁線圈、陽極等結(jié)構(gòu)。放電室一般為環(huán)形空間，可為推進劑流動、電離和加速提供通道。磁線圈以“大圈套小圈、外圈套內(nèi)圈”的方式組合，在放電室通道口構(gòu)成沿通道半徑方向分布的強磁場。陽極同為環(huán)形，可產(chǎn)生軸向電場（存在于電荷或變化磁場周圍空間里的一種特殊物質(zhì)，可對置于其中的電荷施加作用力），其上有許多均勻分布的細小孔洞或縫隙，可均勻地分配推進劑。

陽極使用的推進劑是一些中性的粒子流（因推進劑種類不同，這些中性的粒子可能為原子，也可能為分子，為方便敘述，下文均以原子為例），輸送到推力器時一般為氣態(tài)。

空心陰極

同時承擔(dān)著點火和中和的功能，重要程度猶如心臟。啟動時，空心陰極開始向外發(fā)射電子，部分電子被霍爾加速器內(nèi)通著正電的陽極吸引，飛向放電室。但它們通常還未飛到陽極，就先被放電室出口處的強磁場“抓住”，因為它們與磁場方向垂直相交，受洛倫茲力的作用，它們開始沿著放電室的通道環(huán)面“轉(zhuǎn)圈圈”，這就是霍爾漂移。大量電子在通道內(nèi)漂移運動，形成了霍爾電流。

當(dāng)然，這些電子不會一直停留在放電室出口處，其漂移會因撞擊原子、壁面等而被打斷，最終飛向陽極，形成空心陰極到陽極間的電流回路。

與等離子體“肩并肩”

電子“轉(zhuǎn)圈圈”的同時，陽極向外噴出原子，這些原子撞上做漂移運動的電子，被電離（原子外層電子在碰撞下脫離原子核的引力束縛，成為自由電子，原子本身則變?yōu)閹д姾傻碾x子）。軸向電場對這些離子施加作用力，使它們加速、噴出，產(chǎn)生推力。而空心陰極發(fā)射的電子中，未被陽極吸引的那部分電子會“撞”上這些噴出的離子，二者再次“中和”為中性的原子。

就這樣，霍爾推力器同時向外噴出離子、電子、原子，形成了等離子體（由大量粒子組成的、整體上保持電中性的物質(zhì)狀態(tài)）羽流。因其電離、加速、中和等過程在宏觀上都是穩(wěn)定進行的，因此它又被稱作“穩(wěn)態(tài)等離子體推力器”。

?霍爾推力器工作原理圖（供圖/杭觀榮）

可能大家會問，為什么電離產(chǎn)生的離子會噴出去，而不是像電子一樣被“抓住”呢？這是因為離子的質(zhì)量遠大于電子（如氙離子的質(zhì)量約是其電子質(zhì)量的24萬倍）。加速器中的磁場被精心設(shè)計，擁有合適的強度和形狀，最強處被放置在放電室出口部分，主要用來約束電子，而對離子幾乎不起作用，因此離子可以順利“飛”出放電室。

推動龐然大物的“小身板”

理論上，霍爾推力器能產(chǎn)生非常大的推力，但目前航天器能夠提供的電功率有限，所以它們的推力被限制在了毫牛量級。不過，航天器在太空中受到的阻力極小，毫牛量級的推力也能幫助航天器完成大范圍軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)。

中國空間站運行在距地面約400千米的高空軌道之上，飛行速度高達7.7千米/秒。在各種力的影響下，空間站的速度會不斷減慢，軌道高度也不斷下降，因此，空間站需要不斷通過自身動力補償大氣阻力，維持正常的飛行速度和軌道高度。

霍爾推力器實物圖及其地面點火狀態(tài)（供圖/杭觀榮）

霍爾電推進系統(tǒng)推進劑消耗慢、工作壽命長、能力強，能以毫末之力“細水長流”。經(jīng)過綜合考量，科研人員決定為空間站核心艙配置4臺霍爾推力器，它們兩兩一對，對稱安裝在核心艙尾部兩側(cè)，推力為80毫牛，采用氙氣推進劑。

2021年4月29日，核心艙隨長征五號乙運載火箭發(fā)射入軌，9月，完成首次霍爾電推進系統(tǒng)在軌點火運行測試。該系統(tǒng)在國際多項技術(shù)上開創(chuàng)先河，霍爾推力器采用拔插的安裝方式，還在隨艙攜帶的2個小氣瓶之外，預(yù)留了2個大氣瓶的安裝接口，航天員可以根據(jù)需要對其進行維護、升級和補充推進劑氣瓶。

近年，國內(nèi)外霍爾電推進系統(tǒng)的科研與應(yīng)用創(chuàng)新不斷，推力量級不斷提升，推進劑種類增多，還實現(xiàn)了1臺推力器嵌套兩個及以上放電室，在小尺寸的前提下?lián)碛懈蠊β省⒏笸屏透鼘捳{(diào)節(jié)。載人月球探測、在軌服務(wù)、太空資源開采和利用、小行星防御等典型航天任務(wù)，都對霍爾電推進系統(tǒng)提出了明確需求，它正持續(xù)進步，推動著我們更好地探索浩瀚宇宙。

（責(zé)任編輯 / 牛一名? 美術(shù)編輯 / 周游）