重大突破！百千瓦級霍爾電推成功，它代表星辰大海

2022年1月28日，中國航天科工集團官方微博釋出了一個大新聞：

航天五院510所研製的大功率霍爾電推進技術獲得重大突破，標誌著我國在大功率電推進技術領域內，百千瓦級霍爾推力器效能達到國際先進水平。在地面試驗中，單通道霍爾推力器以Xe為工質，最大功率達到105千瓦，最大推力達到4。6N，以氪為工質最高比衝超過5100秒

這種發動機將為未來載人登月、在軌服務以及載人登陸火星等提供關鍵技術支援，可以說是當前飛向星辰大海最理想的發動機。

霍爾電推進發動機：推力那麼小，究竟能幹嘛？

我們經常以只能推動一張紙來形容離子電推發動機，比如我國正在建設的天宮空間站上就使用了

LT-100型霍爾電推發動機，其推力為80mN，總共四臺發動機，2臺主推，2臺備份，它就是未來天宮空間站軌道維持的主力發動機。

化學火箭不香嗎？為何還要搞微推力發動機？

在地球上將物體推進的辦法很多，比如用內燃機驅動輪子，或者驅動水裡的螺旋槳，在空中可以用噴氣式或者螺旋槳推進，有用摩擦力的，也有使用螺旋槳撥動水或者空氣取得反作用力推動自身前進。

那麼從地面到大氣層內再到太空呢，有沒有一種發動機是通吃的？這就是火箭發動機，它自帶燃料和氧化劑，透過渦輪泵以各種迴圈進入燃燒室後發生劇烈的燃燒反應，高溫高壓的燃氣經過噴管膨脹，向發動機後方噴出就形成了推動火箭前進的力量。

為了驅動沉重的火箭飛上太空，火箭燃料與氧化劑大量泵入燃燒室，比如土星五號的一級火箭重達2300噸，絕大部分都是燃料，只有168秒就全部燒完了，平均每秒燒掉13噸，是不是很恐怖？

當然在大氣層內為了儘早將火箭送往太空，這是非常有必要的，但當航天器長期在軌或者要飛向月球以及火星時，化學火箭的大推力但燃料消耗速度太快就成了一個大問題。

如何燃料燒得更久？

土星五號的恐怖燃料燃燒速度實在太嚇人，假如能讓火箭燃料燒得更久一些，不就可以解決問題了嗎？這裡必須要來了解一個比衝的概念：

比衝這個概念很多朋友都不太理解，直觀一點理解就是1牛頓重量的物質持續產生1牛頓推力的時間，這個值越大越好，簡單的理解就是燃料利用率，比衝越高，效率也越高，同樣重量的燃料讓火箭飛得更遠，或者同樣的距離燃料消耗更少。

如何增加火箭的比衝？

方法有幾個，一種就是使用含能密度更高的燃料，比如氫氧燃料，現代火箭發動機比如早期的毒發的燃料是偏二甲肼與四氧化二氮的發動機，大都在260~280S左右；

液氧煤油的火箭發動機，比如俄羅斯的經典名機RD-180比衝在338S，我國的YF-100能達到335S。

化學發動機中最NB的是氫氧發動機，比如日本H2的一級火箭就是氫氧機，比衝為446S，我國的YF-77為430S。

另一種方法當然是改變火箭發動機的迴圈模式，最早的是擠壓迴圈，結構簡單但比衝很低，後來開發出了燃氣發生器迴圈（少量燃料推進渦輪泵，將燃料送入燃燒室），後來又有閉式迴圈（燃氣發生器迴圈的富氧燃燒或者富油燃燒後再進入燃燒室），還有更復雜的分級燃燒迴圈等等。

窮盡一切努力達到了當前火箭工業的最高水準，但科學家仍然不滿意它的效能！當然最後還有一個辦法，那就是提高排氣速度，上文中化學火箭的最高排氣速度也就3-4千米/秒，而為了提高排氣速度，更換燃料，改變迴圈，如今已是黔驢技窮了。

當然還有一種革命性的改變辦法，使用電場來加速電離後的電子和質子，這種方式輕而易舉就能達到數十千米甚至數百千米的排氣速度，當然只要願意，這個排氣速度甚至可以接近光速，不過作為火箭使用根本就沒有這個必要。

離子發動機的原理如何，究竟有哪幾種離子發動機？

這種用電場來加速離子的發動機被稱為離子發動機，一般都習慣稱為離子電推，它的原理上文已經簡述了，將“燃料”電離後，區分出離子（帶正電荷），電子（帶負電荷），兩者在電場中運動方向是相反的。

然後將離子在靜電場中加速，離子就會快速往前跑，最後跑出噴口脫離了發動機，根據作用與反作用原理以及離子的質量和速度，那麼可以計算出推力，這就是早期的網格靜電離子推進的原理，它只加速離子，因此需要在發動機噴口附近放置一個陰極給噴出的離子注入電子中和，防止發動機電荷積累。

網格靜電離子推進器出現很早，最早在1960年代就出現了，此後一直都是衛星的軌道維持以及科學探測任務的發動機，比如深空和黎明號兩個探測器都用這種原理開發的離子電推發動機。

霍爾電推又是什麼原理？

霍爾推進原理是利用過圓柱形陽極和形成陰極的帶負電等離子體之間的電勢加速離子，推進劑被引入陽極附近，離子化後在磁場的限制下流向陰極，並且透過它加速，離開陰極時離子會帶上電子中和後高速離開推進器。

霍爾電推進發動機

網格靜電離子推進器的比衝極大，可以達到上萬秒，但它的推力過小，一般在微牛級別，只能用於衛星或者探測器的軌道維持或者加速，假如要加速大型航天器，那麼需要一種推力更大，但比衝可以適中的發動機。

霍爾推進的比衝最高可達6000S以上，推力取決於功率，比如一臺典型的霍爾電推在1。35KW下可以產生83毫牛的推力，但10KW時可達600毫牛，在100KW時可達5。4牛頓（NASA的X3霍爾電推發動機，全球頂尖的霍爾電推發動機之一）

離子電推發動機還有哪些？

離子電推發動機種類繁多，霍爾電推和網格靜電離子推進器都屬於靜電推進器，在這個類別下還有場發射電推進。另外則是電磁推進，比如脈衝感應推進器、磁等離子動力推進器、無電極等離子推進器、Helicon 雙層推進器、可變比衝磁漿火箭（VASIMR）等等，

不過現代最成熟的無疑就是網格靜電離子推進器和霍爾電推！前者壽命可達2萬小時甚至更長，比如NASA的氙氣推進器（NEXT）專案連續執行超過4。8萬小時，後者也能達到約5000小時，未來的目標是全壽命達到5萬小時。

用什麼燃料？

離子電推進發動機的燃料有一個要求，容易電離，離子的質量比較大的元素，比如早期有汞，後來因為有毒被放棄，再後來用氙，也有用氪以及鉍和碘，還有氬甚至金屬鎂和鋅等。

這些金屬在高溫下都有不同的發射光譜，因此不同燃料的發動機發出的顏色是不一樣的，你甚至可以根據噴口發光判斷它究竟用了什麼燃料。

離子發動機到底有多節約燃料？

離子發動機燃料節省到了令人髮指的程度，比如總重量達到了486千克的NASA深空一號以81千克氙推進劑提高了3。51千米/秒的速度。

而探測小行星帶的黎明號探測器則以425千克的氙推進劑取得了11。49千米/秒的加速，假如使用化學燃料，燃料消耗十倍都不止。

推力那麼小，真有用嗎？

離子電推進發動機動輒微牛毫牛，即使如

天宮軌道維持的LT-100型霍爾電推發動機，其推力只有80mN，也就是0。08牛頓，不過就是托起一張紙的力量，毫無用處不是嗎？

其實在太空沒有空氣阻力的狀態下，已經處在了“離心力”與引力平衡的狀態，只需很輕的一個力量輸入就能改變飛行器的狀態，並且這個力量還能持續不斷的提供一天、一月甚至一年持續不斷的加速，並且還沒有空氣阻力，那麼速度累加將會達到一個極高的數值。

現代飛船飛向火星，假如用化學火箭的話，除了脫離地球軌道和進入火星軌道外需要加速開機和減速開機外，中間只有軌道調整才會開機，對速度增加幾乎就不會有考慮，因此從地球到火星動輒就是半年甚至更久。

更麻煩的是半年到達火星後，等下次火星靠近地球需要2年以後，如果使用化學火箭的話只能等火星再次靠近地球才會返回地球。假如使用霍爾電推火箭在途中不斷加速的話，甚至可以將時間縮短到2-3個月，甚至1個月，當火星一次衝日中即可完成載人火星登月，總來回時間也就半年時間，對於科學家來說，這具有無比誘惑力。

離子電推發動機唯一的缺點是推力太小，它只能作為深空宇航使用，而從地球到太空，仍然需要仰仗化學火箭，這點暫時仍然沒有辦法改變。