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老和山下:我国百千瓦级霍尔推进器以单通道推力达到4.6牛,具有什么样的意义?|2022-10-30

前面耽误了 20 年后面恶补了 20 年终于可以跟美帝掰掰腕子了

为了方便大家理解先来介绍一下什么是霍尔推进器

一定有很多朋友听说过离子发动机光子发动机……

咱们先给这些充满科幻色彩的概念划一条边界

截止今天为止人类所有的火箭发动机都是依靠向外扔东西产生的反作用力获取动力学术点说就是动量守恒定律

现有的物理理论对引力空间的认识水平和神棍差不多完全不存在动量守恒之外的发动机原理

因此在很长一段时间内发动机还得靠扔东西产生动力扔得越快动力越大

非常抱歉混了这么多年还是牛顿第三定律

火箭极限

所以但凡想上天的发动机都是围绕如何更快地扔燃料而设计的

比如飞机发动机为了扔得更快就拼命倒燃料燃烧需要空气于是就在发动机里装了一台抽风机

但是空气的含氧量只有 20%就算抽风机把空气压缩成液体塞到燃烧室里

其实也没多少氧气所以燃料喷射速度并不快只有每秒几百米这对火箭来说简直就是塞牙缝

火箭发动机自带纯氧燃烧当然更充分燃料喷射速度能达到 2-5km/s

可惜这么多年过去了最好的燃料依然还是液氢液氧想要更快就得用炸药了

炸药的爆炸速度一般是 7km/s不过用炸药当燃料一般人可吃不消

总的来说如果不考虑尚未实用的全氮阴离子盐这大概就是化学燃料的极限了

说得有点抽象我来秀一把硬核计算

假设把 20 吨货送到近地轨道不考虑空气阻力势能和火箭干重

若燃料喷射速度是 600m/s则需 1000 万吨燃料注意是 1000 万吨

这是飞机发动机的水平

若燃料喷射速度是 2.5km/s则需 451 吨燃料

这是当前主流火箭的及格线

若燃料喷射速度是 5km/s则需 77 吨燃料

接近当前化学燃料的理论极限

若燃料喷射速度是 30km/s则需 6 吨燃料

霍尔推进器的喷射速度

若燃料喷射速度是 300km/s仅需 534 公斤燃料

据说这是仅靠现有技术就能压榨出的离子发动机的全部潜力

不过理论上只要电压足够大离子可以无限接近光速

比如对撞机能把粒子加速到光速的 99% 以上若是把这当成发动机喷射燃料的速度……

把 20 吨货送到近地轨道仅需 532 克燃料

前景算是很美好了下面该倒苦水了

离子发动机

你可能想不到像离子发动机这么科幻的设备居然在 1959 年 NASA 的考夫曼就搞出来了

其大概原理和电磁炮差不多

先将汞注入电离室

然后电子枪注入电子用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子

汞离子呈正电用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力

在出口附近再装一把电子枪向离子束注入电子使其中性化恢复成原子

不然带电离子会沾满整个航天器发动机内部也会积累电子产生静电各种麻烦

简单来说前面用电子枪电离后面用电场加速原理一目了然

不过考虑到推进效率和腐蚀性现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙

1998 年美国深空 1 号彗星探测器首次将离子发动机作为主力推进系统应用在深空飞行

发动机自重只有 8 公斤仅携带 82 千克氙就进行了 20 个月的飞行

电离不一定非得用电子轰击

比如把盐扔到水中就可以得到氯离子和钠离子

还比如微波也可以直接电离气体

2019 年有个大新闻日本隼鸟二号探测器在 3 亿公里外的小行星成功取样用的就是微波离子发动机采用微波电离

在小行星降落采样上升一气呵成

离子推进器的原理和结构并不复杂但问题也很多

比如后面正负极的加速格栅就很碍事不但效率不行还得经受高速离子的冲击腐蚀对材料要求贼高

于是大家就想起了霍尔

相比原理单纯的离子推进器霍尔推进器的原理就有些烧脑了同学们看出点感觉就行

先说下霍尔效应电流在磁场中通过时电子或离子会横向移动导致导体有个横向的电势差

就好像长江水流有个横向的作用力使南岸的水位比北岸的高

这样的好处是当电子(负电)和离子(正电)混在一起时可以利用霍尔效应分开做到一边电离一边加速

也就是说霍尔推进器把电离部分和加速部分合到了一起也就是把磁场和电场合到一起舍弃了原先碍事的加速格栅

为了让混在一起的电子和离子各司其职磁场和电场的设计显然更为精巧喷口从一面筛子变成了一个环形结构

八仙过海

离子推进器和霍尔推进器是最主流的两类应用两者差别一目了然

原理再调整一下还能分出很多类型

比如脉冲等离子体推进器磁等离子体推进器电弧加热推进器等等

基本思路都是先把原子电离只是电离手段有所不同然后用电场把离子轰出去

不过说实在的因为本质上都是折腾离子所以笼统地称为离子推进器也没什么不妥

还有发动机推力器推进器只是叫法不同都是一个意思

离子推进器有个优点是不挑食容易电离的原子都可以作为推进剂

氙是当前主流推进剂但人家毕竟是稀有气体很金贵的

所以其他推进剂也很热门如锌镁等

这么看起来形势还不错啊为啥离子推进器以前没咋听说呢

这当然是因为你孤陋寡闻嘛

积跬步至千里

离子推进器虽然喷口速度比化学发动机快一个数量级但喷出来的东西实在太少算到最后推力实在小的可怜

所以都用毫牛做单位和放屁的力气差不多

因此从地面到太空还得靠化学火箭到了太空才是离子推进器的舞台

1998 年美国深空 1 号离子发动机喷口速度接近 30km/s

但工作一整天只能喷 100 克燃料仅仅给卫星增加了 10m/s 的速度

算下来推力只有 90 毫牛相当于 9 克的重量

好在这玩意儿实在持久累积工作了 14000 小时

期间各种加速减速与小行星你来我往战功硕硕

离子推进器其实算不上很黑的黑科技深空飞行已经普遍采用

一般而言离地球 200 万公里开外就算深空在这种地方笨重的化学火箭就是根废柴

2007 年美国的黎明号小行星探测器3 台离子推进器推力 92 毫牛累积飞行 11 年 69 亿公里

2018 年欧洲宇航局发射的水星探测器4 台离子推进器合计推力 290 毫牛计划飞行 7 年 90 亿公里

欧洲 SMART-1 尽管只是探测月球也使用了离子发动机为主推进器

还有从 3 亿公里外的小行星上取样品的隼鸟号屁股上 4 台离子推进器格外醒目

除了深空飞行在地球附近的变轨爬坡也不乏离子推进器的身影

因为离子推进器靠电运用所以也叫电推

2015 年 SpaceX 发射了两颗全电推进的通信卫星安装了 4 台离子推进器推力 165 毫牛

这俩卫星靠离子推进器爬到了 3.6 万公里高的同步轨道

原本这类在地球附近的变轨都是化学火箭的业务几小时就能完成但要多带好几吨燃料

离子推进器则相反小巧玲珑成本低但变轨过程要持续几个月

显然最近几年大伙的耐心是越来越好了商业卫星采用全电推进的比例大幅上升

离子推进器本就不高的门槛快被踏烂了

美国的 XIPS 离子系列BHT 霍尔系列日本的μ微波系列英国 T 离子系列德国 RIT 射频系列俄罗斯 SPT 霍尔系列……

如果说前面这些业务是从化学火箭手里抢的那么下面这些活凭的就是自己本事了

大伙可能没想到

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