推力小到举不起一根头发？能叫板美国空间站的推进器，到底牛在哪

随着时间越来越近

我国的新一代空间站将要登场了

核心舱“天和一号”计划2021年出发

由长征五号B运载火箭负责发射

简单来说就是

用一个国之重器发射另一个国之重器

天和一号核心舱

长征五号B运载火箭

这两个重器都很有说头

但老K今天要说的并不是它俩

而是一个不起眼的小东西

LHT100型霍尔离子推进器

使用离子推进器的星船

这个小小的推进器将安装在新一代空间站上

共计四台 每台推力80豪牛

为空间站提供动力

比今天的国际空间站领先了一代有余

这个霍尔离子推进器到底是干嘛的?

还记得电影星球大战中

那艘毁天灭地 象征绝对武力的歼星舰吗

按照设定

这艘歼星舰用的就是离子推进器

星球大战歼星舰

不过先别激动

虽然是同一个东西

但推力差了十万八千里

我们要装的这四台霍尔离子推进器

推力只有80豪牛

这是一个什么概念呢

我们经常使用的最小的重量单位

是克

事实上还有一个比克更小的重量单位

毫克

把一克分成1000份

每一份就是一毫克

1000毫克=1克

前面我们说了

这四台霍尔离子推进器的推力是80豪牛

0.1豪牛的推力等于10毫克

80豪牛就等于800毫克

这也就是说

我们将要安装在空间站上的这四台推进器

即使火力全开满负荷输出

也只能举起不到一克的东西

换句话说

这四台推进器连你的一缕头发都举不起来

是不是有点难以相信

要说这个问题

我们就得搞清它是怎样工作的

又是怎样发展的

离子推进器

霍尔离子推进器

是离子推进器中的一种

之所以叫这个名字完全是因为

这种推进器的运行原理中有一个“霍尔效应”

对 就是你高中学的那个霍尔效应

在我们一贯的思维中

推进器 引擎 这类东西

通常都是用燃料来点火启动的

简单暴力又好用

但离子推进器不同

它是以电能为能源的推进器

整个运行原理和电磁炮差不多

普通火箭发动机是靠燃烧化学燃料

喷出燃烧气体推进

而离子推进器靠的是强磁场和电场

喷出离子流来推进

听起来是不是很科幻

但是因为离子的密度小

所以离子推进器的推力也很小

离子推进器的原理和结构都并不复杂

但问题也很多

比如能量释放不完全

加速格栅的材料要求极高

于是霍尔离子推进器出现了

霍尔推进器就是

在离子推进器的基础上

将喷射构造升级了一下

相比起原理简单的离子推进器

霍尔推进器的原理就要烧脑一点了

先说霍尔效应

电流在磁场中通过时

电子和离子会横向移动

形成一个横向的势差

于是当喷射舱内的电子和离子混在一起时

霍尔效应就能把它们分开

做到一边电离化

一边喷射电子来加速

为了形成霍尔效应

离子推进器的外型

就变成了一个富有科技感的环形

总之

这个推进器是依靠射出电离子来产生推力的

跟传统火箭推进器比起来

缺点是推力小得不行

优点是比冲大得不行

比冲就是单位推进剂的量所产生的冲量

同样重量的燃料

推进器产生的冲击力量越大

比冲就越高

比如 当前的化学火箭喷射速度极限是30公里一秒

需要6吨燃料

而霍尔推进器当前的理论极限是300公里一秒

只需要534公斤燃料

速度多了一个0

价钱少了一个0

你也可以把比冲理解为

推进器对能量的利用效率

同样的一百块钱

有人花了五十块 掉了五十块

还有人省吃俭用

把一百块钱花出了一百五十块的效果

这就是比冲

联盟号火箭

也许有观众想说

即使比冲再高

性价比再好

但这东西还是连一缕头发都举不起来

老K要说

霍尔推进器并不是在陆地上用的

而是在太空中用的

太空中可没有地心引力

别看它的推力只是豪牛级

但在没有空气阻力的太空已经足够了

哪怕是只有1豪牛的推力

也能让探测器平滑地飞行

区别只不过是速度快慢而已

而且最关键的是

离子推进器的能源是电能

这代表着

它不用携带任何化学燃料

光这一点省下来的空间和重量还有成本

就不可小视

除了省钱之外

事实上离子推进器还是未来推进器的主流发展方向

没别的 就是因为持续性

相信大家一直有一个误区

认为太空飞船 火箭 或者探测器

都是像开车一样一路开着发动机冲过去的

但事实并不如此

通常情况下

飞船都是在地球附近加速到一个速度之后

就关闭发动机

朝着目标一路飘过去了

举个例子

阿波罗登月行动

登月舱从地球到月球

一共花了三天

而这三天里

发动机只在出发时工作了十几分钟

很简单 因为太空没有阻力

轻轻推一下你就能一直飘

而离子加速器不同

它可以持续不间断的工作

虽然推力小

但持续几十个小时 几天 几个月的推力

还算小吗

如果推进器能保持一个G的加速度一直飞

那么从地球到月球只需要三个小时

而当年阿波罗花了三天

从地球到太阳系最远的海王星

旅行者2号花了整整十二年

但如果能保持1个G的持续加速

只需要16天

旅行者1号

人类最勇敢的探索先驱

至今已经飞了43年

超过211亿公里

如果能保持1个G的持续加速

追上旅行者1号 只需要24天

这是什么概念呢

当初麦哲伦环游大洋

花的时间也比这多短得多

当年搭载了F1煤油发动机的土星5号

曾经和搭载离子推进器的深空一号

来了一场星际赛跑

双方跑了18个月

结果是

离子推进器赢了

因为长达十八个月的不间断加速

深空一号反超了土星五号

上演了一场精彩的反杀

搭载F1煤油发动机的土星5号

虽然目前的离子推进器适用范围比较窄

但几乎可以肯定它就是

未来发动机的雏形

当然 除了实力之外

离子推进器的外型也是充满了未来感

霍尔型离子推进器的外型

更是未来感与科幻感结合

事实上

离子推进器这个概念不是今天才有的

而是1959年就出现了

经过接近四十年的研发

才最终成型

1998年

美国的深空一号彗星探测器

首次安装了离子推进器

喷口速度接近30公里一秒

工作一整天只能消耗100克燃料

算下来推力只有90豪牛

不过离子推进器的优点也一览无余

工作了超过14000个小时

仅仅携带了82千克氙

就进行了长达二十个月的飞行

火箭推进器要想做到这一点

起码要在燃料数量上加个0

除了这些之外

离子推进器还有个优点

就是精准

这算是推力小带来的福利之一

推力小了反而可以精准调控力度

可以让卫星或者探测器

准确地停在该停的位置

我们的新一代空间站上

要搭载霍尔离子推进器

这绝对算得上一个好消息

因为离子推进器

我们原本就走在世界前列

1974年

我国就开展了离子推进器的研究

对比同时期的美苏

中国起步得不晚

1978年开发的LIPS-80离子发动机

还获得了当年的国家科技进步一等奖

是的 那时候我们就已经造出来了

但到了80年代

因为经济条件等原因

大量的高科技项目下马

运输机 轰炸机 航母 反导

都在下马的行列之中

离子发动机当然也不例外

发射中的“实践九号”A/B双星

直到1999年

我国才重启离子推进的研究

这次搭载的霍尔离子推进器

可以说

就是过去二十年中

中国补回来的功课

2012年

中国的“实践九号”A/B双星

首次使用了离子推进器

推力40豪牛

算是赶上了当时的国际水平

接着中科院又在这个机型上

进行了各种匪夷所思的测试

为后来的二十号铺下了路

2019年12月

中国的“实践二十号”成功升空

搭载了十多项国际领先的技术

其中就包括机身上的

LIPS-300离子推进器

推力200豪牛

首次实现了高低功率双模式

算得上是进入了国际水平的

第一梯队

直到今天的霍尔离子推进器将要登上空间站

我国的离子推进器技术真正走在了前列

不过话说回来

我们也不能自满

霍尔推进器真正的标杆

还是那个美国

而且

美国霍尔推进器的技术背后

还有那么一点血腥的味道

霍尔推进器是苏联发明的

1962年苏联科学家莫罗佐夫

首次提出了利用霍尔效应

来进行推进的概念

自从第一台霍尔推进器诞生后

苏联就一直走在这项技术的前列

在航天界也是大受欢迎

苏联的卫星 火箭

都开始广泛应用霍尔推进器

同时期的美国当然也在研究这东西

不仅投入了大量的资金

还砸了不少科学研究项目进去

但造出来的性能始终难以达到苏联的水平

在这个时候

苏联领跑了霍尔推进器技术

直到1991年

苏联解体

在苏联解体不到一百天内

当时苏联最先进的SPT-70霍尔推进器

就神秘消失了

第二次露面时

它已经在NASA

也就是美国航天局的桌子上了

1992年

苏联解体之后的第二年

美国 法国就和俄罗斯联合成立了国际空间技术公司

考虑到当时俄罗斯的状况

与其说是联合

不如说是被逼的

就这样

苏联的霍尔推进器技术

最终落入了美国的手中

霍尔推进器也成了美国的国际名片之一

而我们的霍尔推进器历史

要简单许多

没有任何勾心斗角

只有两个字 专注

我们的霍尔推进器历史

其实可以简述为两句话

耽搁二十年 恶补二十年