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、氮、碘、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，
