2021年6月17日，神舟十二號成功發射，並與中國空間站的天和核心艙完成對接。而在核心艙之中，有多項技術達到了世界前列水平，引國人驕傲。其中，用來調整姿態、維持軌道的霍爾發動機，作為一項新技術，走進了人們的視野。與常見的發動機不同，霍爾發動機不需要化學燃料，就可以噴出科幻電影中那般絢麗的尾焰，推動飛船前進。
如果不需要化學燃料，那它的動力來源是什麼？
為什麼要採用這種裝置？
這還得從火箭發動機的原理說起。
“天和”核心艙（圖片來源：中國載人航天）
Part.1 化學火箭的極限在哪裡？
不管是飛翔、划船還是走路，要想獲得前進推力，都只有一個方法——利用牛頓第三定律。比如，走路時就需要我們的腳用力后蹬，以受到地面的反作用力，進而前進和加速。
可問題來了，太空中沒有着力點，那該如何獲得推力？
答案是——拋出去自己的一部分。
被拋物體的反作用力，就成了火箭本身向前的推力。這依然是牛頓第三定律的應用，還可叫做動量守恆。
火箭想要前進，就得“扔”東西，隨着火箭技術的發展，“扔”的東西越來越多，也越來越快。
按照推進能源劃分，最早的火箭叫作化學燃料火箭，我國的長征五號火箭就屬於這一類。它們通過燃燒燃料產生能量，將燃氣迅速噴出，獲得前進的動力。
但人們發現，這種火箭有個致命的缺點，那就是燃料消耗量太大了。
火箭很大一部分空間裝的都是燃料和燃料罐。在人類歷史上，最大的火箭“土星五號”，起飛重量達3000多噸，最後送上月球的部分只有45噸，剩下的質量幾乎都是燃料。
要想減少燃料消耗，還得從火箭的原理着手。前面說過，火箭的推力是靠動量守恆獲得的，動量等於速度和質量的乘積，所以不管扔的是燃燒前的燃料（及助燃劑），還是燃燒后的燃料，只要扔的速度不變，產生的動量就不變，即獲得的推力不變。
因此，要想減少質量，又不降低推力，方法只有一個——以更快的速度扔出。
但人們發現，靠化學燃燒，噴出物只能達到10km/s的速度“天花板”，難以滿足我們的航天探索需求。要突破這一極限，只能另謀出路了。
Part.2 效率更高的發動機——離子推進器
怎樣獲得更高的噴射速度呢？科學家們想到了粒子加速器，它能產生目前人類能達到的最高速度——可以使粒子達到光速的99%以上。
但它的體積比較大，動輒上百米甚至幾十公里的長度，可不是直接就能裝到火箭上的，於是它的簡化版本，離子推進器誕生了。
離子推進器的原理，就是用電子轟擊原子產生離子，然後通過電場加速離子，向後噴出獲得推力。離子推進器的體積小巧，甚至可以和家用掃地機器人差不多大，噴射速度卻是化學燃燒的十倍。也就是說，只要消耗十分之一質量的工質，就可以獲得和化學火箭一樣的推力。
NASA的演進氙離子推進器（NEXT）計劃研製了一台7千瓦功率的粒子推進器（圖片來源：NASA）
但它有個缺點，高速運動的離子會和加速用的電極柵板碰撞，不但影響效率，還會產生腐蝕，用不了多久，電極板就報廢了。
Part.3 再進一步——霍爾發動機
為解決這個問題，科學家們又從離子推進器的結構入手，開始改良離子的碰撞問題。
離子會碰到電極柵板，是因為原來的結構中，離子產生區域和加速區域是分開的，離子要射出去，必須經過電極柵板，這樣就難免會發生碰撞。
而如果把兩個區域合併，不僅可以取消掉一個極板，還能減小空間。人們將噴口處的負極板取消，做成敞口結構，這樣既能達到加速離子的效果，又不會碰到極板，避免了腐蝕問題。
但這樣又產生了新問題：把兩個區域合併，雖然能避免離子和電極板碰撞，但又產生了電子和正極板碰撞的弊端，導致離子的生成率大幅降低。
對此，科學家想到了一個妙招，霍爾效應。
這個思路跟可控核聚變中的磁約束有異曲同工之妙——利用磁場來限制電子在電場中的運動，把電子“捧”在裡面轉圈圈，讓它們老實地跟原子相撞，形成離子再噴出去（實際上，為了避免離子吸附在推進器和飛行器外殼上，噴出的離子還會先和電子結合成中性的原子，再噴出去）。
因為利用了霍爾效應，這種推進器就被稱為霍爾推進器。
霍爾推進器原理（圖片來源：參考文獻3）
Part.4 萬事俱備，只欠工質
接下來就是工質選擇的問題了。用哪種原子去和電子碰撞，來產生離子？或者，直接噴電子行不行？
運用能量守恆，消耗同樣的能量，噴出的粒子質量越大，動量越大，能產生的推力就更大。通常一個離子的質量是電子質量的萬倍以上，所以選離子做工質子更合適。
形成離子的原子，首先要容易與電子碰撞電離，這意味着原子的半徑越大越好；其次是電離后不易產生腐蝕性物質，因此，元素周期表右下方，原子量較大的幾種稀有氣體元素，顯然比較符合條件。
當然，還要考慮其他因素，原子量最大的Uuo，半衰期只有12ms，而次一級的氡（Rn），又太稀有，且有放射性。所以，比較理想的就是氪（Kr）和氙（Xe）。
二者相比，雖然氙比氪更容易碰撞電離，但是更金貴稀有。因此在商業應用上，氪更加受到青睞。比如馬斯克的星鏈衛星，所用的霍爾推進器工質就是氪。
至此，霍爾推進器的原理已經明了，但它為什麼沒有用在火箭發射上呢？
原因很簡單——推力低。例如天和號核心艙上用的霍爾推進器，每個推力是80毫牛，在地面上差不多只能托起一張A4紙，而我國最近研製出的推力達一牛的霍爾推進器，都已經是世界前列水平了。
這麼先進的推進器，怎麼就只能推張紙？
其實，這個先進性，並不只看推力大小，而是着重於對工質的利用率。用專業術語來講叫做比沖，就是單位質量的工質能夠產生的推力。
目前推力最大的X3霍爾推進器，推力可達5.4N（圖片來源：參考文獻2）
雖然霍爾推進器可以用不到十分之一的工質就達到化學火箭的推力，但這是在噴射同樣質量工質的基礎上所作的比較。實際上，一個是爆炸式的噴射燃氣，一個是細水長流的噴射原子，當然力量要小很多。
就拿歐洲航天局的首枚月球探測器SMART-1來說，它用的是離子推進器，效率跟霍爾推進器差不多，每天只能噴射一百克左右的燃料，百公里加速時間需要一天半，從同步軌道進入環月軌道就花了13個月。
Part.5 推力雖小，前景遠大
雖然無法用來發射火箭，但在太空微重力環境下，霍爾推進器卻可以揚長避短，起到意想不到的效果。
第一，相對經濟。衛星在環繞地球飛行時，會受到零星空氣分子碰撞，導致軌道降低，最終墜毀。為了維持軌道，衛星就需要安裝發動機來推進。然而，軌道跌落過程相當緩慢，一年能也就幾公里。因此對推進器的推力要求就不高了，但從經濟角度考慮，消耗燃料越少越好。這不正好是霍爾推進器的用武之地嗎？
所以，我國的天和號核心艙便安裝了霍爾推進器，在跟神舟十二號對接前，就是靠它來完成維持軌道的工作。
第二，持續性好。為什麼人類最遠只到過月球，原因之一就是化學燃料火箭消耗巨大。雖然阿波羅飛船花了整整三天才到月球，但發動機僅工作了約1010秒，其餘時間都是靠慣性在太空漂浮，只因無法承擔巨大的燃料消耗。
可霍爾推進器就不一樣，雖然推力小，但比沖高、消耗低，同樣工質下持續性更強，最終速度還是很快的。
美國的深空一號探測器（採用離子推進器）曾經就來了一場星際較量，通過持續加速，硬是跑贏了土星。
這就像龜兔賽跑似的，雖然霍爾推進器加速慢，在短距離上跑不過化學燃料發動機，但貴在能夠持之以恆，距離越長，越能“笑”到最後。
第三，更為精準。我國的太空引力波探測計劃系統“天琴”，需要三顆衛星，以極高的精度組成邊長17萬公里的等邊三角形。要維持位置精度，就需要有精度高且推力小的推進器——霍爾推進器這類小功率的推進器就正好派上用場了。
依靠精度達到0.1微牛的推力控制，可以把衛星牢牢地鎖定在隊列當中，維持引力波探測的可靠性。
天琴計劃位置示意圖（圖片來源：國家航天局官網）
需要注意的是，霍爾推進器推力小，只是現階段的狀態。在未來，大推力霍爾推進器仍有很大的發展空間，但的確需要時間。
辦法總會比困難多，回望我國航天史，也正是這樣克服重重困難，一步一個腳印走過來的。星辰大海，漫漫征途，在這條艱辛而榮耀的道路上，只要不放棄思考，總會飛得更快，走得更遠。
參考文獻：
[1]康小錄， 杭觀榮， 朱智春。 霍爾電推進技術的發展與應用。 火箭推進。 2017， 43（01）： 8-17+37。
[2]康小錄， 張岩， 劉佳， 等。 大功率霍爾電推進研究現狀與關鍵技術。 推進技術。 2019， 40（01）： 1-11
[3]張敏。 霍爾電推進技術——促成10年後去火星。 國際太空。 2016，（12）： 42-45
[4]袁嵐峰。 打破太陽系枷鎖：霍爾推進器。 知乎。 2020
出品：科普中國
製作：謝竟成（科學有段子）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
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