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。

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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。

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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!

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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。

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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。

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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。

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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。

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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:

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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。

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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。

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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。

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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。

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