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时速超11万公里,我国最新霍尔推进器将航天发动机带入中国时代

佚名 科学 2020年12月08日

时速超11万公里,我国最新霍尔推进器将航天发动机带入中国时代

中国航天科技801所最新研制的霍尔推进器在持续高达8小时的点火,连续超30次的点火次数,总计在轨点火时间长达50小时之后,成功宣告我国在霍尔推动器领域取得了从“毫牛级“到“牛级”的突破,航空发动机开始进入中国时代。


什么是霍尔推进器?

霍尔推进器是航天发动机的一种,现在的航天发动机主要有化学火箭发动机,核火箭发动机,电子火箭发动机等三种,而霍尔发动机属于电子火箭发动机。




现在比较常用的是化学火箭发动机,像马斯克用来发射星链卫星的猎鹰九号使用的就是液体燃料火箭发动机。但是因为化学燃料比较重,加载有限,不能提供长时间的动力供应,只使用了普通的火箭发射,而对于长期在太空中飞行航天器就不适用了。


霍尔推力器因为是采用电离原理产生反向推力,主要用氙来作为推进剂,利用电场来加速推进剂,并通过磁场来约速电子,最终借助电离推进剂和环境产生高速离子,从而给航天飞行器提供源源不断的动力,这样就能推动航天器长时间在太空中执行各种科研任务。


正是因为霍尔推进器续航时间长,还能节省大量的化学燃料,所以被世界各航天大国做为一种未来太空飞行器研发的方向。


霍尔推进器的发展现状:

目前具备制造霍尔推进器的国家有美国,俄罗斯,欧洲、意大利、法国、日本等国,最早生产出霍尔推进器的是前苏联,1971年底,苏联将20微牛的SPT-50霍尔推进器装在卫星探测器上,用于稳定姿势。但是全球目前最大的霍尔推进器是美国X3,推力有5.4牛,102千瓦的功率,我们目前试验成功的霍尔推进器的推力是1牛,功率为20千瓦。比美国还有一定的差距,正视差距,才能进步。


学过物理都知道,1牛的推力其实很小的,甚至连一个鸡蛋都推不动,那有些朋友可能有疑问了,那怎么能推动那么大火箭呢?不用误会,我们虽然把霍尔推进器看做是电子火箭发动机的一种,但是它不是用来推动火箭的,因为火箭要克服地球引力,所需的推力高达几千千牛,功率再大的霍尔的推进器也推不动它。也可以说,霍尔推进器在地球引力范围内都没有太大的作用。


但是到了太空中失重的环境之下,霍尔推进器就大有用武之地。比如一些卫星的调整轨道或改变姿势,霍尔推进器就能轻易做到。比如一个200公斤的大铁块如果放在地上没有人能推动,但是如果吊在空上,一般人都推得动,虽然比喻不是太恰当,但是道理差不多。


霍尔推进器的来源:

霍尔推进器的原理来自霍尔效应,1879年,美国物理学家埃德温·霍尔(E.H.HALL)发现了一种电磁效应,与传统的电磁效应不同,霍尔效应能让电流一边低一边高,形成电势差。


“当电流垂直外电磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流与磁场的方向会增加一个附加场,从而形成电势差。“这就是霍尔效应的简单表述,


100多年前的发现,到现在才变成现实,从霍尔推进器的例子可以看出,基础科学就是要能耐得住坐冷板凳的寂寞。需要科学工作不断在已有的成果上不断进行研究,才会产生应用。


在霍尔推进器中,气态氙等推进剂被电场加速,电子被约束在磁场中,用来电离推进剂,加速离子产生推力,并中和羽流中的离子。


通俗的来说。就是内外两个磁极,之间有两个空间,就像一个环形的沟槽。沟里是从外到内的垂直磁场,沟底是阳极电场,电场与磁场垂直。往沟里释放电子,电子落入沟里被磁场影响,在洛伦兹作用力下,电子绕着环形沟加速旋转。旋转的电子数量够多时,沟底的氙推进剂释放出来,使不带电的氙原子被高速电子转为带电的等离子。在电场作用下,被加速成高速工质喷出而产生推力。由于电场强度大,推进剂氙非常轻,可以加速得特别快,氙的电离率可达99%。


从以上原理可以看出,霍尔推进器在产生能量的过程中消耗的不是推进剂,而是电能,而在太空中,电能从哪里来


这一点大家绝对不用担心,在太空中,电能可能说是取之不尽,用之不竭的,因为太空中永远都有太阳在照射,不像地面上阴天雨天,春天冬天,黑夜白天等各种影响太阳能利用的因素,只要让推进器的太阳能电池板一直对着太阳就有源源不断的电能。


霍尔推进器的未来

因为只要搭载少量推进剂,不用搭载大量的燃料,所以霍尔推进器特别适合帮助人类走向深空的航天器。比如我国的长征五号火箭,重量高达879吨,其中有99%搭载的是燃料,真正有用的部件只有20吨左右,只要进入没有重力的太空之后,完全可以靠霍尔推进器作为动力,欧航局发射的GOCE卫星探测器在长达两年的飞行中只用了40kg氙气。对于那些走向深空,探索外太空的飞行器来说,是再适合不过了。


不仅如此,霍尔推进器比燃料航天发动机的速度还要更快,每秒可以达到50000米,根据实验表明,我国科学家研究的霍尔推进器的时速就达到13万公里,从地球到达火星,只需要20天左右,相当于坐绿皮火车从广州到乌鲁木齐的时间,简直不要太爽了吧!太空旅游在不远的将来,一定会成为现实,现在我们要做的就是努力工作,攒够能买一张飞往太空船票的钱。


未来人类要走向深空,探索其它的星球,有了霍尔推进器,就能够很快到达。所以,制造出更大的霍尔推进制,是航天工业的重中之重。


虽然我国的霍尔推进器突破了“牛级”界限,还只能达到美俄的20%,但是我们航天工业还有底牌,有这些底牌在,超越美俄指日可待,想知道是什么底牌吧?请观看西瓜视频创作人“三一博士”的视频:国产顶级霍尔推进器,性能仅有美国20%,但中国航天仍有底牌!


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