电推系统原理（我国最强霍尔电推亮相）

我国大功率霍尔电推进技术获得重大突破！据多家权威媒体报道，航天科技集团五院510所研发的HET-450单通道霍尔推力器，在地面试验中最大推力达到了4.6牛（以氙为工质），最大功率达105千瓦。当以氪为工质时，最高比冲超过了5100秒，达到了国际先进水平。

HET-450单通道霍尔推力器

要知道目前世界上推力最大的霍尔推进器是美国的X3，是三通道设计，最大推力为5.4牛，最大功率102千瓦。从数据上看，HET-450霍尔推力器的推力只比美国的X3少了0.8牛，处于同一量级。至于5100秒的最大比冲，是液氢液氧火箭发动机的十几倍，只能用“逆天”来形容。

HET-450霍尔推力器试验时的情景

不知道大家有没有注意到，这台国内最强霍尔电推还只是单通道设计，推力就已经于美国三通道的X3相当。那么这里的“单通道”和“三通道”都是什么意思呢？4.6牛的推力到底是大还是小？要知道一瓶容量为500ml的矿泉水， 重力就有4.9牛，也就是说4.6牛的最大推力在地面上还不足以举起一瓶矿泉水，为何仍说它是重大突破呢？

原来，霍尔电推是一种另类的航天动力装置，另类到带有一丝科幻色彩。4.6牛的最大推力虽然举不动一瓶水，与动辄百吨的火箭发动机不能比，却已经是妥妥的国际先进水平。因为霍尔推进器的特点就是推力小、比冲高，常见型号的推力大都是几十毫牛的量级，能达到牛级就非同小可，达到4.6牛已经是逆天神器了！

略带科幻色彩的霍尔推进器

这是因为具备如此推力的霍尔推进器，能让航天器如虎添翼，极大地提高其性能和寿命。要想搞清楚这件事，就不得不说说霍尔电推的原理。霍尔电推是离子推进器的一种，与普通的火箭发动机向后喷燃气不同，离子推进器喷出来的是离子，这些离子经过电磁场加速后，具备了极高的速度，能达到20~50公里/秒，向后喷出后即产生了推力。

由于离子的速度极高，所以比冲很大，通俗点儿说，就是消耗单位质量的工质达到的速度增量更大！例如猎鹰9号使用的液氧煤油发动机，比冲只有273秒左右，阿里安5火箭芯级的液氢液氧发动机，真空比冲约430秒。HET-450霍尔推力器的最大比冲5100秒，这就意味着要达到同样的速度增量，HET-450消耗的工质只有氢氧发动机的十几分之一。

火箭发动机的组比冲远不如霍尔推进器

这样一来，航天器携带的燃料就可以大大减少，或携带同样燃料下的工作寿命可大大延长。不过，由于喷出来的离子质量很小，所以推力也很小，只有牛顿或者毫牛量级。因此，想用霍尔电推来让火箭起飞是不可能的。但小推力也有小推力的用武之处，例如卫星或空间站的轨道保持，以及深空探测。

对于运行在近地轨道的卫星或空间站，由于存在非常非常稀薄的大气分子，航天器与稀薄大气产生摩擦，会损失能量，导致轨道高度越来越低。为了抵消这种效果，需要定期开启推进器，提升轨道高度，防止它坠入大气层烧毁。

这项任务可以用自身的或与之对接的飞船上的推进器来完成。由于轨道高度的下降速度极其缓慢，对时间窗口的要求没那么严格。我们可以选择用大推力的推进器工作较短的时间，也可以用小推力的推进器工作较长的时间，效果差不多。

空间站需要定期抬高轨道

这时离子推进器高比冲的优势就显现出来了，它消耗的燃料（工质）远小于火箭发动机，因此大大提高了卫星的寿命，并可减少空间站的燃料补给需求，降低补给频次，进而节省大量真金白银的经费，例如我国天宫空间站就装备了4台霍尔推进器用于轨道保持，马斯克的星链卫星，装备的也是霍尔发动机。

离子推进器与火箭发动机相比，就如同长跑和短跑运动员的区别。火箭发动机就像是一位强悍的短跑运动员，可以在极短时间内以极高的速度奔驰，但却消耗极大，后劲不足，跑一会儿就没力气了。离子发动机却像一个长跑运动员，虽然跑得不快，但贵在持久，慢悠悠地一直跑，像马拉松比赛可以跑出几十公里。

我国空间站上的霍尔离子电推和化学发动机

在前往太阳系遥远行星的深空探测中，离子推进也大有用武之地。虽然推力小，但经过长时间工作后，依然可以把航天器加速到很高的速度。我们不妨假设在太空中有一个4.6吨重的飞船，装上1台4.6牛推力的离子推进器从0开始加速，并且忽略因燃料消耗而减轻的质量。

虽然看上去这样的加速会很慢，但如果持续加速1天，它的速度将达到86.4米/秒，如果持续加速一年，速度将超过31公里/秒，这个速度远远高于能飞出太阳系的第三宇宙速度，是非常恐怖的。我们还可以安装多台离子推进器，以进一步提高加速度。日本的隼鸟号小行星探测器装备的离子发动机推力仅28毫牛，却足以使它完成探测任务。

日本隼号号的离子发动机仅28毫牛

需要注意的是，离子推进器携带的推进剂实际上并不是“燃料”，而是工质，它的能源来自电力，需要有强大的电源供电。像空间站或隼鸟号这种距离太阳不算太远的航天器，用太阳能电池板发电，很完美！如果要前往远离太阳的深空，那就得用核电池或更大功率的核反应堆电源了。

离子推进器的概念是世界航天界的先驱——罗伯特·戈达德于1906年提出的，从上个世纪60年代开始，美国和苏联开始真刀真枪的研究离子电推，但却走了两条不同的路线，美国走的是用电场直接加速的离子推进器，例如下面这种静电式离子推力器：

一种静电式离子推力器的原理

这种推进器用电子枪发出电子，将工质气体电离，在后方放置两块打了无数小孔的正负栅板，离子穿过栅板时被电场加速向后喷出，产生推力。只要正负栅板之间的电压足够高，离子就可以被加速到很高的速度。

这种离子推进器看似简单，后面那两块正负栅板却很不好做，对制造和材料要求极高，并且还存在空间电荷限流问题，影响了推力的进一步提高。1964年，美国的SERT 1卫星首次进行了离子推进器在轨试验。1998年的深空一号更是首次将离子发动机作为主动力装置。

而苏联却选择了霍尔推进器的路线。虽然同样是喷射离子，但霍尔推进器顾名思义是利用了物理学中的霍尔效应。它采用环形喷口和放电室，作为阴极的电子枪在喷口外发射电子，电子沿轴向电场向阳极运动，同时在径向磁场作用下，由于霍尔效应而产生感应电压，开始环向旋转。

霍尔推进器的原理

这些旋转的电子与从阳极附近喷出的气体（氙气、氪气等）激烈碰撞，使气体电离，电离后的离子在电场作用下向后加速喷出，产生推力。霍尔推进器的推力密度可以做得比前面那种静电式离子推进器更高。由于霍尔电推的优良性能，美国人后来也开始重视它，开展了大量研究。

目前世界上推力最大的霍尔推进器就是美国的X3，是密歇根大学与NASA和美国空军联合开发的。它的特别之处在于使用了嵌套式的设计，将三个推力器以同心圆方式套在一起，同时产生推力。因此我们能看到X3有三个环状喷口。正是这种设计才让X3达到了5.4牛的最大推力，成为世界范围内的佼佼者。

美国密歇根大学的X3霍尔推进器

这种方式就是所谓的三通道。而我国的HET-450霍尔推力器，4.6牛的推力虽然略逊于X3，却是单通道的设计，也就是只用了一套放电推进装置就产生了与X3几乎相当的推力。让我们大胆猜测一下，假如HET-450将来也能够实现多机嵌套的话，推力还会更高，有较大的可能性超过X3而拔得头筹。

HET-450一个通道就实现了4.6牛

因此，HET-450在最大推力这个单一指标上是比X3差了一丢丢，但在技术上很难说就一定落后，仍然是一台前途无量的逆天神器，是货真价实的重大突破，非常值得庆贺！它的试验成功，对我国未来的卫星、空间站和深空探测任务都是一个重大利好。