推动空间站的“耐力小勇士”

百年前，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基（苏联科学家，被尊称为“航天之父”）提出电推进的设想。2022年11月，中国载人空间站一期工程建设完成，空间站核心舱尾部除了常规配备的化学推进系统外，还配备了霍尔电推进系统，这标志着人类首次在载人航天领域应用电推进系统。

使用氪气、氙气(均为惰性气体)点火的霍尔推力器

（图源：《知识就是力量》杂志）

在太空中

“掂掂斤两”

遨游太空，也有两种选择

航天器遨游在太空中，会在微弱的阻力和地球、月球、太阳等引力的作用下逐渐偏离既定轨道，想要在太空中执行轨道和姿态的变化，就需要空间推进系统提供相应的推力。不同于飞机、汽车、轮船上需要混合空气的发动机，空间推进系统只需利用其自身携带的推进剂，就可以将不同形式的能量转换为动能。

双环嵌套霍尔推力器点火

（图源：《知识就是力量》杂志）

目前，航天器采用的空间推进系统技术主要分为两类：化学推进和电推进。化学推进需要推进剂在燃烧室中进行化学反应，产生高温、高压燃气，向后喷出，产生推力，我们经常在电视上见到火箭发射场景，其尾部喷出的“爆炸性”的火光和气流便是点燃推进剂后产生的现象；电推进则是利用电能对推进剂（或推进剂燃烧后的产物）加热或电离，使其加速、向后喷出，产生推力。

空间站核心舱霍尔电推进系统组成示意图

（图源：《知识就是力量》杂志）

为航天器减重

质量流量，指单位时间内流经一横断面的流体质量数量。由相应公式可得出：推力=推进剂喷出的质量流量×喷出速度。因此，在推力一定的情况下，推进剂喷出的速度越快，其质量流量就越小，而质量流量越小，推进剂消耗的速度就越慢。

航天器在发射时会携带大量推进剂，甚至远远超出其核心系统的质量，在“太空加油”技术不能广泛应用的当下，推进剂的储备量直接关系着绝大多数航天器的使用寿命。电推进的推进剂喷出速度通常比化学推进高，就像汽车可以“百公里油耗更低”，面对同样的任务目标，电推进可以消耗更少的推进剂。

例如，1颗质量5吨的地球同步轨道卫星，将其化学推进换成电推进，有效载荷（直接实现航天器特定任务的仪器、设备、人员、试验生物及试件等）不变的情况下，携带推进剂的质量能减少多达2.5～3吨；总质量不变的情况下，有效载荷可以翻倍增加，执行更多任务。

众多电推进技术中，霍尔电推进系统因综合性能优异，成为目前应用最广泛、推力器应用数量最多的电推进技术。

于粒子碰撞

间向前

与霍尔效应“手牵手”

霍尔效应是美国物理学家A·H·霍尔于1879年发现的一种电磁效应，即：当电流以垂直于磁场的方向通过磁场时，其带电粒子的运动会在磁场中因力的作用（该力简称为洛伦兹力）而偏向一边，因此产生电势差即电压，带电粒子的受力方向可用左手定则进行判断。

（图源：《知识就是力量》杂志）

霍尔电推进系统的核心——霍尔推力器，全名“霍尔效应推力器”，主要由霍尔加速器和空心阴极两大部分组成。

霍尔加速器

主要有放电室、内外磁线圈、阳极等结构。放电室一般为环形空间，可为推进剂流动、电离和加速提供通道。磁线圈以“大圈套小圈、外圈套内圈”的方式组合，在放电室通道口构成沿通道半径方向分布的强磁场。阳极同为环形，可产生轴向电场（存在于电荷或变化磁场周围空间里的一种特殊物质，可对置于其中的电荷施加作用力），其上有许多均匀分布的细小孔洞或缝隙，可均匀地分配推进剂。

（图源：《知识就是力量》杂志）

阳极使用的推进剂是一些中性的粒子流（因推进剂种类不同，这些中性的粒子可能为原子，也可能为分子，为方便叙述，下文均以原子为例），输送到推力器时一般为气态。

空心阴极

同时承担着点火和中和的功能，重要程度犹如心脏。启动时，空心阴极开始向外发射电子，部分电子被霍尔加速器内通着正电的阳极吸引，飞向放电室。但它们通常还未飞到阳极，就先被放电室出口处的强磁场“抓住”，因为它们与磁场方向垂直相交，受洛伦兹力的作用，它们开始沿着放电室的通道环面“转圈圈”，这就是霍尔漂移。大量电子在通道内漂移运动，形成了霍尔电流。

霍尔推力器工作原理图

（图源：《知识就是力量》杂志）

当然，这些电子不会一直停留在放电室出口处，其漂移会因撞击原子、壁面等而被打断，最终飞向阳极，形成空心阴极到阳极间的电流回路。

与等离子体“肩并肩”

电子“转圈圈”的同时，阳极向外喷出原子，这些原子撞上做漂移运动的电子，被电离（原子外层电子在碰撞下脱离原子核的引力束缚，成为自由电子，原子本身则变为带正电荷的离子）。轴向电场对这些离子施加作用力，使它们加速、喷出，产生推力。而空心阴极发射的电子中，未被阳极吸引的那部分电子会“撞”上这些喷出的离子，二者再次“中和”为中性的原子。

就这样，霍尔推力器同时向外喷出离子、电子、原子，形成了等离子体（由大量粒子组成的、整体上保持电中性的物质状态）羽流。因其电离、加速、中和等过程在宏观上都是稳定进行的，因此它又被称作“稳态等离子体推力器”。

可能大家会问，为什么电离产生的离子会喷出去，而不是像电子一样被“抓住”呢？这是因为离子的质量远大于电子（如氙离子的质量约是其电子质量的24万倍）。加速器中的磁场被精心设计，拥有合适的强度和形状，最强处被放置在放电室出口部分，主要用来约束电子，而对离子几乎不起作用，因此离子可以顺利“飞”出放电室。

推动庞然大物的

“小身板”

理论上，霍尔推力器能产生非常大的推力，但目前航天器能够提供的电功率有限，所以它们的推力被限制在了毫牛量级。不过，航天器在太空中受到的阻力极小，毫牛量级的推力也能帮助航天器完成大范围轨道转移等任务。

霍尔推力器实物图及其地面点火状态

（图源：《知识就是力量》杂志）

中国空间站运行在距地面约400千米的高空轨道之上，飞行速度高达7.7千米/秒。在各种力的影响下，空间站的速度会不断减慢，轨道高度也不断下降，因此，空间站需要不断通过自身动力补偿大气阻力，维持正常的飞行速度和轨道高度。

霍尔电推进系统推进剂消耗慢、工作寿命长、能力强，能以毫末之力“细水长流”。经过综合考量，科研人员决定为空间站核心舱配置4台霍尔推力器，它们两两一对，对称安装在核心舱尾部两侧，推力为80毫牛，采用氙气推进剂。

2021年4月29日，核心舱随长征五号乙运载火箭发射入轨，9月，完成首次霍尔电推进系统在轨点火运行测试。该系统在国际多项技术上开创先河，霍尔推力器采用拔插的安装方式，还在随舱携带的2个小气瓶之外，预留了2个大气瓶的安装接口，航天员可以根据需要对其进行维护、升级和补充推进剂气瓶。

近年，国内外霍尔电推进系统的科研与应用创新不断，推力量级不断提升，推进剂种类增多，还实现了1台推力器嵌套两个及以上放电室，在小尺寸的前提下拥有更大功率、更大推力和更宽调节。载人月球探测、在轨服务、太空资源开采和利用、小行星防御等典型航天任务，都对霍尔电推进系统提出了明确需求，它正持续进步，推动着我们更好地探索浩瀚宇宙。

撰文 | 杭观荣、金广明

责任编辑 | 牛一名、段阳阳

运营编辑 | 段阳阳

质量审核 | 业蕾

❖ 文章来源：《知识就是力量》杂志

《推动空间站的“耐力小勇士” 霍尔电推进系统》 ❖

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