霍尔推进器：人类太空探索的未来动力.docx

霍尔推进器
人类太空探索的未来动力

鹿鸣

2017年5月7日，执行第4次任务的美国X-37B空天飞行器在完成718天的在轨飞行后，返回肯尼迪航天中心。作为美国空军的轨道试验飞行器，X-37B的多次任务均未公布细节。这几次飞行，带来什么载荷上去，又进行了哪些试验，往往不为人知。而这次X-37B的飞行任务，从美国军方无意间透露的信息来看，可以确认上面搭载了霍尔推进器。那么，霍尔推进器是怎样的一种设备？作为电推进系统中的一员，霍尔推进器与传统的化学火箭推进器之间又有什么区别呢？未来人类将会用霍尔推进器执行怎样的任务呢？
霍尔推进器
1879年，美国物理学家霍尔于在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电压。这个电压叫做霍尔电压。这—现象便是霍尔效应。
然而，虽然美国人发现了霍尔效应，但是世界上第一台霍尔推进器却是苏联科学家研制成功的。
1962年，苏联科学家莫罗佐夫提出了静态等离子推进器（Stationary Plasma Thruster，简称SPT）的概念。推进剂气体一部分通过阳极进入环形放电室，—部分进入空心阴极。在推进器内部，有一对互相垂直的电场和磁场（电场沿轴向方向，磁场沿径向方向）。空心阴极是一个维持稳定放电的电子源。其产生的电子在径向磁场的洛伦兹力的作用下，形成了一个做圆周运动的电子束。这个电子束便是霍尔电流的来源。霍尔电流在磁场中产生霍尔效应。在轴向电场的相互作用下，欢腾的电子与推进剂激烈碰撞并使推进剂电离。在电磁场的作用下，推进器内部的離子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成推力。
近几十年来，人类科学家和工程师不断努力，也就终于使得霍尔推进器得到了工程应用。当离子推进器的工质采用氙后，就成了氙离子推进器（XIPS），该推进器与稳态等离子推进器（SPT）（属于霍尔推进器的一种）一起，成为目前和可预见的将来使用得最为广泛的电推进系统。
2006年发射的TacSat-2卫星、2010年发射的美国军用通讯卫星USA-214和美国军用小卫星USA-221、2012年发射的美国国家侦察局用卫星USA-235等卫星都使用了霍尔推进器。
2001年至2006年期间发射的以休斯公司的“HS-601HP”平台为基础的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亚洲4号、Galaxy 13、MEASAT 3等卫星和深空1号探测器、黎明号探测器以及2015年3月初发射的波音702SP（世界上首款全电推进卫星）则采用了氙离子推进器。
不过，目前霍尔推进器的进一步军用化和普及化则尚需时日。这也就是近日刚刚返回地面的X-37B空天飞行器升空的一个重要原因，即全面测试新型的霍尔推进器。
有人说电推进技术将会立刻替代化学推进技术成为卫星和深空探测器的主要动力。但是也有人认为电推进技术尚处在萌芽阶段，尤其是推力太小，尚不能马上全面替代化学推进技术。
的确，无论是霍尔推进器还是氙离子推进器，它们的推力都实在是太小了。以深空1号为例，她上面搭载的离子推进器功率为2.3千瓦，其峰值推力约为92毫牛。无论是发动机功率还是推力，深空1号的离子推进器都已经算是同类推进器中较大的了。一张80g的A4纸的质量约为4.99克。这张纸在咱们地球上所受的重力约为48.9毫牛。也就是说，深空1号深空探测器的离子推进器火力全开的时候，其推力也不足以托起两张A4纸。
但是，就是这样纤弱的力量，却能够在近地轨道卫星和远程星际探索中使离子推进器和霍尔推进器胜过了火力威猛的化学推进器。
我们不再去比较化学推进器和电推进器在比冲方面的差别，这样的比较会出现在大量的文献中，而结论也无非是：双组元化学推进系统的比冲一般在300秒左右，而波音702SP全电卫星上的XIPS-25电推进系统的比冲已经达到了3 800秒以上，因此电推进系统比化学推进系统优越很多。这样的评价显得有些抽象。
在这里，我们比较的是二者的喷气速度。并祭出先驱齐奥尔科夫斯基（摇篮叔）的大杀器：齐式火箭方程来给化学推进和电推进二者做个了断。“天下武功，唯快不破”，李小龙的这句名言道出了火箭推进系统的真谛。从摇篮叔的火箭方程中，我们可以看到，影响火箭最终速度（或者说速度增量）的因素有两个：一个是发动机的喷气速度，另一个是火箭发射质量与扣除燃料后的干质量的比值。如果一个火箭拥有很快的喷气速度，那么就会给火箭带来很大的优势。
优势一：在同样的速度增量的要求下，较大的喷气速度意味着较小的发射质量与干质量的比值。对于带有同样载荷的卫星来说，其发射质量会大幅减小。
按照目前的价格来算，仅发射费用就可以省下将近6 000万美元。另外，2吨级的卫星质量使得能够发射波音702SP卫星的火箭种类变得更多，使该星有更好的议价能力，还能让很多卫星以“一箭双星”的形式来发射。对于要在轨道上长期服役的卫星来说，电推进的优势就更明显了。一颗重4.8吨的以化学火箭来维持轨道高度的寿命达1 5年的卫星，其燃料储箱中带的燃料重达3吨。有效载荷的质量差不多只有燃料质量的一半。如果将这颗卫星升级为电推进卫星的话，只需不到200千克的氙就能完成同样的使命。
不过，电推进系统的推进器的推力太小了，这让卫星的入轨过程变得相当漫长。这就对卫星的寿命和抗辐射能力提出了不小的挑战。弄不好，卫星可能最终赢得了轨道却输给了岁月。
优势二：电推进系统即使在目前这个萌芽状态下，也已经能够赋予深空探测器以极快的速度，并且这样的速度是化学推进器难以企及的。这个优势用文字描述的话，终会显得枯燥。不妨让化学推进和电推进各选出一个代表来进行一场星际赛跑。毕竟一切不用数据来说明问题的讨论都是不太好的嘛。
一场星际赛跑
我们不妨用发射质量达到了轻巡洋舰级别的土星5号火箭上面的F1液氧煤油发动机与总重不到500千克的深空1号来一场星际赛跑。
一台F1液氧煤油发动机的推力为6909千牛（大约能举起705吨的重物，相当于54辆加长型公交车），比航天飞机的3台主发动机的推力加起来还要大（约为航天飞机主发动机推力的3.8倍）。这个大家伙1秒钟就要烧掉约2.66吨燃料。在阿波罗计划中，F1发动机的工作时间约为159秒，燃气喷流的速度约为2 596米/秒。单台F1发动机需要燃料423.099吨。
按照火箭燃料占火箭总质量的85%这一指标来设计一枚参赛用的火箭，则火箭的发射质量为497.3235吨，其中F1发动机本身的燃尽质量为9.15吨，火箭壳体和有效载荷的总质量为65.51 45吨。
深空1号探测器的离子推进器的推力约92毫牛，连两张叠在一起的A4纸都吹不起来。该推进器要用5天零19个小时的时间才能用去1千克燃料。深空1号的发射质量为486.3千克，其中燃料只有81_5千克（约占16.8%）。不过，深空1号上的推进器有一个指标非常耀眼：喷流的速度为43 000米/秒（是F1发动机的16.6倍，约为真空中光速的1.4万分之一）。
比赛一开始仿佛没有什么悬念，F1发动机力量强，加速快，10s后，她的速度已经达到了142.6米/秒（时速513.4千米）。
而深空1号探测器并不着急，此时她的速度为1.88毫米/秒，得仔细看才能确信她在动。159秒后，F1发动机以飞出274.6千米，并且将最终速度锁定在4.925千米/秒。此时，深空1号飞出了2.374米，速度2.98厘米/秒，比小蚂蚁爬行的速度还要慢。或许有人会认为这时应该结束比赛并宣布化学火箭F1完胜了。毕竟，274.6千米与2.374米的差距还是蛮大的，如果他们都是从北京市中心上空出发的话，F1已经飞到了山东省，而深空1号刚刚从床上爬起来走向卫生间。
不过，星际赛跑拼的是最终速度，而不是短距离的冲刺速度。从159秒之后，F1的速度就不再增加，而深空1號则锲而不舍地做着加速运动。15个小时过去了，深空1号来到了F1发动机达到她的最大速度的地方（河北衡水上空），时速为36.5千米。那些曾经笑话她比蜗牛还慢的人，此时骑着自行车也很难追上她了。不过，她离F1还是越来越远。抬头望去，F1在25.45万千米处。1天后，深空1号走了700多千米，时速为57.6千米。3天后，深空1号的时速超过了175千米，并且走了6300千米远。6个月过去了，深空1号的速度达到了3千米/秒，距离F1还有5千万千米。10个月后，奇迹出现了。深空1号的速度居然超过了F1，达到了5.1千米/秒。14个多月后，深空1号的燃料终于燃烧殆尽，她达到了她的最终速度：7.89千米/秒。18个多月后，深空1号赶上并超过了F1。这时，她们已经飞了2.23亿千米。深空1号在F1进入木星轨道之前超过了她，并且将会一直保持着领先的优势。
这场史诗级的赛跑最终以电推进的胜利而告终。但是，深空1号这个选手其实并没有为赢得比赛而进行特殊改装。
为了充分表现电推进系统在星际远征时代能够达到多大的最终速度，我们给她加注了足够的燃料，像填满化学火箭那样，让其燃料质量占发射质量的85%。那么，电推进系统能使探测器拥有的最终速度为81.58千米/秒！这个速度足够让探测器飞出太阳系，飞向浩淼的星辰大海。
当然，我们也不能盲目乐观。以这个速度在太阳系内进行短途旅行还是可以接受的，但是想要进行太阳系外的星际远征，还是有些慢。以目前的电推进系统为动力的星际飞船，到达离咱们最近的恒星半人马座α星C需要3 677年，实在是有些太漫长了。因此，星际远征的时代只能说是近了，而不能说是到了。
大胆展望未来
能否用霍尔推进器让飞船从地面进入地球轨道呢？电推进系统能不能在大气层内高效运作呢？想要告别化学火箭，用电推进系统来让航天器入轨可行么？星际远征的飞船能不能就这么从地面起飞然后直接奔向远方呢？既然科幻电影里面大多是这么演的，咱们也就不得不这么算一算咯。
目前推力非常大的电推进系统中有个叫NEXT的。它是NASA的得意之作，其功率达到了6.9千瓦，是深空1号和黎明号上用的离子推进器的3倍。她的效率能够达到70%。以她为动力的探测器能够将4吨重的载荷送到土星轨道上。
而它的推力有多大呢？答案是：0.236牛。也就是说，在地球上，两台NEXT离子发动机的推力加起来能够勉强举起一只个头儿比较小的鸡蛋。单台电推进系统的推力较小，咱们把她们捆绑起来一起启动会怎样呢？10台不够的话，绑个百万台怎样？
然而，仔细计算后，我们发现：捆绑是解决不了问题的。NEXT的质量与功率比是4.8，也就是说1千瓦的功率对应4.8千克的发动机质量。这个值在电推进系统中算是比较小的了，上一代的霍尔推进器的质量功率比普遍在6左右。如此看来，电推进发动机连自己的外壳都抬不动，捆绑再多也是无济于事的。目前看来只能寄希望于人们把质量功率比做得越来越小，当电推进系统至少能把自己推起来的时候，事情就好办一些了。
不过，我们可不想就这么坐等那一天的到来，还是折腾一番才能对得起这大开的脑洞吧。按照目前霍尔推进器的功率与推力的比例关系，我们极大地变大推进器的尺寸，然后将其安装到一艘100吨重的星际飞船上。那么，我们需要飞船的动力系统能够提供给推进器的电功率至少为28653兆瓦才能使飞船飞离地面，需要约115 000兆瓦以上的电功率才能让飞船以现今化学火箭的加速度发射。
这样的电功率是什么概念呢？2009年8月14日，长江迎来了一个汛期洪峰。当天，三峡水电站首次实现投产后的满负荷发电，发出的功率为1 820万千瓦，也就是18 200兆瓦。要想让100吨重的星际飞船进入近地轨道的话，需要这艘飞船的电功率顶得上6.3个三峡水电站。
但是就算这样的超级发电装置已经能够装到飞船上，电推进系统在地面起飞阶段仍然还是比较困难的。这个困难不仅来自于技术本身，还来自于对发射成本的考虑。无论是离子推进还是霍尔推进，都需要以高速喷出的离子为工质。
氙以其易电离、离子重和对飞行器比较友好等特点成为了电推进系统中的优质工质，而且目前尚难被其他工质替代（即使用氙的近亲氪来代替，效率也会骤降15%左右）。但是，氙实在是太稀少了，在地球大气层中的含量只有1150万分之一。提取1升的氙气需要消耗220度电。在起飞阶段，为了产生大推力，需要将工质以很大的质量流量喷出去。按照目前的电推进系统的技术水平，喷流速度能够达到43 000米/秒，那么为了把星际飞船发到近地轨道，每秒钟至少要消耗91.16千克的氙。要知道，81千克的氙就足够让一个半吨重的探测器去探测彗星了。
因此，即使今后电推进技术得到了极大发展，出现了十万兆瓦级的电推进器或者推力为数万牛的霍尔推进器，也不会用他们把星际飞船从地面发射到近地轨道，因为这实在是过于暴殄天物了。当然，如果人类科技那时候已经发达到能够在木星大气层中提取氙气的时候则另当别论。
一种比较可行的方案是：用核能发电，在起飞阶段，将液态氢喷到核发电系统的热交换器上，并高速喷出，产生强大的推力，将飞船推向近地轨道。在太空环境中，采用氙为工质，用霍尔推进的方式，让飞船持续加速，直到达到令人满意的星际航行速度。
责任编辑：邢强

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