謝竟成

2021年6月17日，神舟十二號(hào)成功發(fā)射，并與中國(guó)空間站的天和核心艙完成對(duì)接。而在核心艙之中，有多項(xiàng)技術(shù)達(dá)到了世界前列水平，引國(guó)人驕傲。其中，用來(lái)調(diào)整姿態(tài)、維持軌道的霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)，作為一項(xiàng)新技術(shù)，走進(jìn)了人們的視野。

與常見(jiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)不同，霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)不需要化學(xué)燃料，就可以噴出科幻電影中那般絢麗的尾焰，推動(dòng)飛船前進(jìn)。

如果不需要化學(xué)燃料，那它的動(dòng)力來(lái)源是什么？為什么要采用這種裝置？這還得從火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的原理說(shuō)起。

Part.1 化學(xué)火箭的極限在哪里？

不管是飛翔、劃船還是走路，要想獲得前進(jìn)推力，都只有一個(gè)方法——利用牛頓第三定律。比如，走路時(shí)就需要我們的腳用力后蹬，以受到地面的反作用力，進(jìn)而前進(jìn)和加速。可問(wèn)題來(lái)了，太空中沒(méi)有著力點(diǎn)，那該如何獲得推力？答案是——拋出去自己的一部分。

被拋物體的反作用力，就成了火箭本身向前的推力。這依然是牛頓第三定律的應(yīng)用，還可叫作動(dòng)量守恒?；鸺胍斑M(jìn)，就得“扔”東西，隨著火箭技術(shù)的發(fā)展，“扔”的東西越來(lái)越多，也越來(lái)越快。

按照推進(jìn)能源劃分，最早的火箭叫作化學(xué)燃料火箭，我國(guó)的長(zhǎng)征五號(hào)火箭就屬于這一類。它們通過(guò)燃燒燃料產(chǎn)生能量，將燃?xì)庋杆賴姵觯@得前進(jìn)的動(dòng)力。

但人們發(fā)現(xiàn)，這種火箭有個(gè)致命的缺點(diǎn)，那就是燃料消耗量太大了?；鸺艽笠徊糠挚臻g裝的都是燃料和燃料罐。在人類歷史上，最大的火箭土星五號(hào)，起飛重量達(dá)3000多噸，最后送上月球的部分只有45噸，剩下的質(zhì)量幾乎都是燃料。

要想減少燃料消耗，還得從火箭的原理著手。前面說(shuō)過(guò)，火箭的推力是靠動(dòng)量守恒獲得的，動(dòng)量等于速度和質(zhì)量的乘積，所以不管扔的是燃燒前的燃料（及助燃劑），還是燃燒后的燃料，只要扔的速度不變，產(chǎn)生的動(dòng)量就不變，即獲得的推力不變。因此，要想減少質(zhì)量，又不降低推力，方法只有一個(gè)——以更快的速度扔出。

但人們發(fā)現(xiàn)，靠化學(xué)燃燒，噴出物只能達(dá)到10千米/秒的速度“天花板”，難以滿足我們的航天探索需求。要突破這一極限，只能另謀出路了。

Part.2 效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)——離子推進(jìn)器

怎樣獲得更高的噴射速度呢？科學(xué)家想到了粒子加速器，它能產(chǎn)生目前人類能達(dá)到的最高速度——可以使粒子達(dá)到光速的99%以上。但它的體積比較大，動(dòng)輒上百米甚至幾十千米的長(zhǎng)度，可不是直接就能裝到火箭上的，于是它的簡(jiǎn)化版本——離子推進(jìn)器——誕生了。

離子推進(jìn)器的原理，就是用電子轟擊原子產(chǎn)生離子，然后通過(guò)電場(chǎng)加速離子，向后噴出獲得推力。離子推進(jìn)器體積小巧，甚至可以和家用掃地機(jī)器人差不多大，噴射速度卻是化學(xué)燃燒的10倍。也就是說(shuō)，只要消耗1/10質(zhì)量的工質(zhì)（即實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)），就可以獲得和化學(xué)火箭一樣的推力。

但它有個(gè)缺點(diǎn)，高速運(yùn)動(dòng)的離子會(huì)和加速用的電極柵板碰撞，不但影響效率，還會(huì)產(chǎn)生腐蝕，用不了多久，電極柵板就報(bào)廢了。

Part.3 再進(jìn)一步——霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)

為解決這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家又從離子推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)入手，開(kāi)始改良離子的碰撞問(wèn)題。

離子會(huì)碰到電極柵板，是因?yàn)樵瓉?lái)的結(jié)構(gòu)中，離子產(chǎn)生區(qū)域和加速區(qū)域是分開(kāi)的，離子要射出去，必須經(jīng)過(guò)電極柵板，這樣就難免會(huì)發(fā)生碰撞。而如果把兩個(gè)區(qū)域合并，不僅可以取消掉一個(gè)極板，還能減小空間。將噴口處的負(fù)極板取消，做成敞口結(jié)構(gòu)，這樣既能達(dá)到加速離子的效果，又不會(huì)碰到極板，避免了腐蝕問(wèn)題。

但這樣又產(chǎn)生了新問(wèn)題：合并兩個(gè)區(qū)域，會(huì)使電子和正極板碰撞，導(dǎo)致離子的生成率大幅降低。對(duì)此，科學(xué)家想到了一個(gè)妙招——霍爾效應(yīng)。

這個(gè)思路跟可控核聚變中的磁約束有異曲同工之妙——利用磁場(chǎng)來(lái)限制電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，把電子“捧”在里面轉(zhuǎn)圈圈，讓它們老實(shí)地跟原子相撞，形成離子再噴出去（實(shí)際上，為了避免離子吸附在推進(jìn)器和飛行器外殼上，噴出的離子還會(huì)先和電子結(jié)合成中性的原子，再噴出去）。因?yàn)槔昧嘶魻栃?yīng)，這種推進(jìn)器就被稱為霍爾推進(jìn)器。

Part.4 萬(wàn)事俱備，只欠工質(zhì)

接下來(lái)就是工質(zhì)選擇的問(wèn)題了。用哪種原子去和電子碰撞，來(lái)產(chǎn)生離子？或者，直接噴電子行不行？

運(yùn)用能量守恒，消耗同樣的能量，噴出的粒子質(zhì)量越大，動(dòng)量越大，能產(chǎn)生的推力就更大。通常一個(gè)離子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的萬(wàn)倍以上，所以選離子做工質(zhì)更合適。

形成離子的原子，首先要容易與電子碰撞電離，這意味著原子的半徑越大越好;其次是電離后不易產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)，因此，元素周期表右下方，原子量較大的幾種稀有氣體元素，顯然比較符合條件。

當(dāng)然，還要考慮其他因素，原子量最大的Og（ 一種人工合成的稀有氣體元素），半衰期只有12毫秒，而次一級(jí)的氡（Rn），又太稀有，且有放射性。所以，比較理想的就是氪（Kr）和氙（Xe）。二者相比，雖然氙比氪更容易碰撞電離，但是更金貴稀有。因此在商業(yè)應(yīng)用上，氪更加受到青睞。比如馬斯克的星鏈衛(wèi)星，所用的霍爾推進(jìn)器工質(zhì)就是氪。

至此，霍爾推進(jìn)器的原理已經(jīng)明了，但它為什么沒(méi)有用在火箭發(fā)射上呢？

原因很簡(jiǎn)單——推力低。例如天和核心艙上用的霍爾推進(jìn)器，每個(gè)推力是80毫牛，在地面上差不多只能托起1張A4紙。我國(guó)最近研制出的推力達(dá)1牛的霍爾推進(jìn)器，都已經(jīng)是世界前列水平了。

這么先進(jìn)的推進(jìn)器，怎么就只能推張紙？其實(shí)，這個(gè)先進(jìn)性，并不只看推力大小，而是著重于對(duì)工質(zhì)的利用率。用專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)講叫作比沖，就是單位質(zhì)量的工質(zhì)能夠產(chǎn)生的推力。目前推力最大的X3霍爾推進(jìn)器，推力可達(dá)5.4牛。雖然霍爾推進(jìn)器可以用不到1/10的工質(zhì)就達(dá)到化學(xué)火箭的推力，但這是在噴射同樣質(zhì)量工質(zhì)的基礎(chǔ)上所做的比較。實(shí)際上，一個(gè)是爆炸式的噴射燃?xì)?，一個(gè)是細(xì)水長(zhǎng)流的噴射原子，當(dāng)然力量要小很多。

就拿歐空局的首枚月球探測(cè)器SMART-1來(lái)說(shuō)，它用的是離子推進(jìn)器，效率跟霍爾推進(jìn)器差不多，每天只能噴射100克左右的燃料，百公里加速時(shí)間需要1天半，從同步軌道進(jìn)入環(huán)月軌道就花了13個(gè)月。

Part.5 推力雖小，前景遠(yuǎn)大

雖然無(wú)法用來(lái)發(fā)射火箭，但在太空微重力環(huán)境下，霍爾推進(jìn)器卻可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，起到意想不到的效果。

第一，相對(duì)經(jīng)濟(jì)。衛(wèi)星在環(huán)繞地球飛行時(shí)，會(huì)受到零星空氣分子碰撞，導(dǎo)致軌道降低，最終墜毀。為了維持軌道，衛(wèi)星就需要安裝發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)推進(jìn)。然而，軌道跌落過(guò)程相當(dāng)緩慢，一年也就幾千米。因此對(duì)推進(jìn)器的推力要求就不高了，但從經(jīng)濟(jì)角度考慮，消耗燃料越少越好。這不正好是霍爾推進(jìn)器的用武之地嗎？所以，我國(guó)的天和核心艙便安裝了霍爾推進(jìn)器，在跟神舟十二號(hào)對(duì)接前，就是靠它來(lái)完成維持軌道的工作。

第二，持續(xù)性好。為什么人類最遠(yuǎn)只到過(guò)月球，原因之一就是化學(xué)燃料火箭消耗巨大。雖然阿波羅飛船花了整整3天才到月球，但發(fā)動(dòng)機(jī)僅工作了約1010秒，其余時(shí)間都是靠慣性在太空飄浮，只因無(wú)法承擔(dān)巨大的燃料消耗?？苫魻柾七M(jìn)器就不一樣，雖然推力小，但比沖高、消耗低，同樣工質(zhì)下持續(xù)性更強(qiáng)，最終速度還是很快的。

美國(guó)的深空一號(hào)探測(cè)器（采用離子推進(jìn)器）曾經(jīng)就來(lái)了一場(chǎng)星際較量，通過(guò)持續(xù)加速，硬是跑贏了土星。這就像龜兔賽跑似的，雖然霍爾推進(jìn)器加速慢，在短距離上跑不過(guò)化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，但貴在能夠持之以恒，距離越長(zhǎng)，越能“笑”到最后。

第三，更為精準(zhǔn)。我國(guó)的太空引力波探測(cè)計(jì)劃系統(tǒng)“天琴”，需要3顆衛(wèi)星，以極高的精度組成邊長(zhǎng)17萬(wàn)千米的等邊三角形。要維持位置精度，就需要有精度高且推力小的推進(jìn)器——霍爾推進(jìn)器這類小功率的推進(jìn)器就正好派上用場(chǎng)了。依靠精度達(dá)到0.1微牛的推力控制，可以把衛(wèi)星牢牢地鎖定在隊(duì)列當(dāng)中，維持引力波探測(cè)器的可靠性。

需要注意的是，霍爾推進(jìn)器推力小，只是現(xiàn)階段的狀態(tài)。在未來(lái)，大推力霍爾推進(jìn)器仍有很大的發(fā)展空間，但的確需要時(shí)間。辦法總會(huì)比困難多，回望我國(guó)航天史，也正是這樣克服重重困難，一步一個(gè)腳印走過(guò)來(lái)的。星辰大海，漫漫征途，在這條艱辛而榮耀的道路上，只要不放棄思考，總會(huì)飛得更快，走得更遠(yuǎn)。