中国空间站上的霍尔推进器,仅能推动一张纸,为何却是逆天神器?

中国空间站上的霍尔推进器,仅能推动一张纸,为何却是逆天神器?
2022年07月08日 22:46 艾牛科普君

我国是世界上少数能够独立建造空间站的国家。在众多玩家中,虽然我们是后来者,但由于时代不同,咱们空间站上搭载的一些技术明显领先了很多年的国际空间站。

和国际空间站一样,我国的天宫空间站距离地面400公里左右。在这样的高度,航天器已处于外太空,可依靠惯性不消耗燃料,保持着环绕地球的运动。比如我国于上世纪70年代发射的第1颗人造卫星东方红1号,其在太空中以无动力状态飞行了几十年,仍然没有掉下来。

不过,由于空间站所处的轨道比较低,此处仍然存在极其稀薄的空气,对空间站的运行存在微小的阻力,久而久之会使空间站的轨道下降。受此影响,空间站的轨道每月大约降低2公里。为了空间站的安全稳定运行,因此必须每隔一段时间为空间站抬升轨道。

按照规划,天宫空间站由天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱构成一个T字形。其中天和核心舱的总质量大约22.5吨,在它上面,除了有以化学燃料产生推力的推进器,还搭载了4台国产自主研发的LHT-100型霍尔推进器。

由于它们的存在,我国空间站的机动性能明显比国际空间站好很多。其中,我国空间站上搭载的化学燃料推进器,由于推力大,可用于空间站的紧急变轨,躲避太空垃圾。

而这4台霍尔推进器的推力很小,每台只有0.08牛,4台加起来也只能产生0.32牛的推力。放在地球上,每台霍尔推进器的推力仅能推动一张纸,4台加起来也连鸡蛋都推不动。

连鸡蛋都推不动的霍尔推进器装在22.5吨的天和核心舱上,有什么意义呢?

实际上,霍尔推进器乃是逆天神器,它的推力虽小,但比冲却很大,仅消耗很少的燃料,就能产生持续不断的推力,这在几乎零阻力的太空环境中非常有用。

因为在太空中只要有人推你一下,你就能持续不断地运动,只要推力不断,你的运动速度就会变得速度越来越快。

比冲,简称Isp,它是一个衡量火箭或者飞机发动机效率的重要物理量。化学火箭发动机中比冲最高的是氢氧机,可达450s左右,而霍尔推进器的比冲在上千秒以上。这意味着,达到相同的推力,霍尔推进器相比于化学火箭发动机而言,仅需要消耗几分之一甚至几十分之一的燃料。

据悉,我国天和核心舱上的这4台霍尔推进器如果一起工作,连续工作24小时,能够产生大约0.7米每秒的加速度。日本隼鸟号小行星探测器上搭载的霍尔推进器的推力仅为28毫牛,产生的加速度更小,但这却支持着它进行小行星探测任务。

国际空间站每年要耗费大量的推进剂为空间站抬升轨道,推进剂虽然不值钱,但航天发射成本高,每多带一公斤燃料,就要多花很多钱。

而我国空间站上的霍尔推进器推力虽小,但仅消耗很少的燃料就能对空间站产生持续不断的推力,从而缓慢抬升空间站的轨道。虽然耗时,但省钱省燃料啊。总之,别看它的推力小,实用性还是蛮强的。

霍尔推进器是航天界的未来

在太空中,要想实现飞行能力,都必须不断往后扔东西。基于牛顿第三定律(作用力与反作用力定律),当工质从推进器尾部喷出后,航天器在反方向会获得一定的推力或者加速度,产生反冲运动。

要想使航天器的飞行速度更快,只能从两方面着手,要么扔更多的东西,要么提高所扔东西的速度

现阶段的火箭一般都是化学燃料火箭,传统的火箭发动机是喷气式发动机的一种,属于热机,其巨大的推力由化学能提供。这种火箭携带了大量的固态或者液态燃料(比如液氢),并自带氧化剂(比如液氧),化学燃料燃烧后从火箭尾部喷出,从而产生推力,推动火箭前进。

现在化学火箭的发展已经到了极限,这是因为化学燃料燃烧时喷出的速度一般仅有2~5千米每秒,最快也很难超过10千米每秒,很难再有大的提升。

在这种条件下,要想使航天器的飞行速度不断提高,就只能携带大量的燃料。以土星5号运载火箭为例,其起飞重量为3038吨,但燃料就占了整个火箭重量的80~90%以上。燃料携带过多反而会成为负担,影响火箭提速,并且很快就消耗光了。

为了提升航天器的飞行速度,科学家们从提升火箭发动机尾部喷流的喷射速度上着手,发明了离子推进技术。

离子推进按照技术类型可分为两种,一种是静电式,另一种就是霍尔式。目前的主流是霍尔式。

霍尔推进器搭载的推进剂并不需要燃烧,而是将之电离后,依靠电磁力驱动并加速,使其从尾部高速喷出并产生推力,这种离子喷流的速度可达到20~30千米每秒,甚至更高。

并且霍尔推进器仅需少量的燃料,就能长时间工作,这能使航天器持续不断地加速。理论上,只要持续不断地加速,就算是每秒产生0.01米的加速度,一年后便能将航天器的速度加速至大约351千米每秒。如果能朝着一个方向产生每秒9.8米的加速度,甚至还能模拟重力。

世界上最早的实用型霍尔推进器出现于上世纪70年代,由苏联研制。我国虽然起步晚,但现在我国的霍尔推进器在世界上已经处于先进水平了。其中HET-450单通道霍尔推力器,在地面试验中的最大推力已达4.6牛,而美国的X3型三通道霍尔推进器推力也才5.4牛。

而霍尔推进器现阶段最大的缺点就是推力小,现在最大只能达到牛级别,而化学火箭推进器的推力则在千牛级别。不过这并不影响它大放异彩,因为在某些应用领域,它的缺点可以忽略。

霍尔推进器靠电力驱动,这意味着它要消耗很多电力,现阶段普遍使用的都是太阳能供电,如果能与核能结合,那么它的应用潜力将会大大的提高。

关注我,咱们下次见。

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