使用霍尔推进器的什么功率都很小?

发布网友发布时间：2022-06-15 07:56

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热心网友时间：2022-07-17 12:50

2017年5月7日，执行第4次任务的美国X-37B空天飞行器在完成718天的在轨飞行后，返回肯尼迪航天中心。作为美国空军的轨道试验飞行器，X-37B的多次任务均未公布细节。这几次飞行，带来什么载荷上去，又进行了哪些试验，往往不为人知。而这次X-37B的飞行任务，从美*方无意间透露的信息来看，可以确认上面搭载了霍尔推进器。那么，霍尔推进器是怎样的一种设备？作为电推进系统中的一员，霍尔推进器与传统的化学火箭推进器之间又有什么区别呢？未来人类将会用霍尔推进器执行怎样的任务呢？
霍尔推进器
1879年，美国物理学家霍尔于在实验中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电压。这个电压叫做霍尔电压。这—现象便是霍尔效应。
然而，虽然美国人发现了霍尔效应，但是世界上第一台霍尔推进器却是苏联科学家研制成功的。
1962年，苏联科学家莫罗佐夫提出了静态等离子推进器（Stationary Plasma Thruster，简称SPT）的概念。推进剂气体一部分通过阳极进入环形放电室，—部分进入空心阴极。在推进器内部，有一对互相垂直的电场和磁场（电场沿轴向方向，磁场沿径向方向）。空心阴极是一个维持稳定放电的电子源。其产生的电子在径向磁场的洛伦兹力的作用下，形成了一个做圆周运动的电子束。这个电子束便是霍尔电流的来源。霍尔电流在磁场中产生霍尔效应。在轴向电场的相互作用下，欢腾的电子与推进剂激烈碰撞并使推进剂电离。在电磁场的作用下，推进器内部的离子产生轴向加速度，并最终高速喷出，形成推力。
近几十年来，人类科学家和工程师不断努力，也就终于使得霍尔推进器得到了工程应用。当离子推进器的工质采用氙后，就成了氙离子推进器（XIPS），该推进器与稳态等离子推进器（SPT）（属于霍尔推进器的一种）一起，成为目前和可预见的将来使用得最为广泛的电推进系统。
2006年发射的TacSat-2卫星、2010年发射的美*用通讯卫星USA-214和美*用小卫星USA-221、2012年发射的美国国家侦察局用卫星USA-235等卫星都使用了霍尔推进器。
2001年至2006年期间发射的以休斯公司的“HS-601HP”平台为基础的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亚洲4号、Galaxy 13、MEASAT 3等卫星和深空1号探测器、黎明号探测器以及2015年3月初发射的波音702SP（世界上首款全电推进卫星）则采用了氙离子推进器。
不过，目前霍尔推进器的进一步军用化和普及化则尚需时日。这也就是近日刚刚返回地面的X-37B空天飞行器升空的一个重要原因，即全面测试新型的霍尔推进器。
有人说电推进技术将会立刻替代化学推进技术成为卫星和深空探测器的主要动力。但是也有人认为电推进技术尚处在萌芽阶段，尤其是推力太小，尚不能马上全面替代化学推进技术。
的确，无论是霍尔推进器还是氙离子推进器，它们的推力都实在是太小了。以深空1号为例，她上面搭载的离子推进器功率为2.3千瓦，其峰值推力约为92毫牛。无论是发动机功率还是推力，深空1号的离子推进器都已经算是同类推进器中较大的了。一张80g的A4纸的质量约为4.99克。这张纸在咱们地球上所受的重力约为48.9毫牛。也就是说，深空1号深空探测器的离子推进器火力全开的时候，其推力也不足以托起两张A4纸。
但是，就是这样纤弱的力量，却能够在近地轨道卫星和远程星际探索中使离子推进器和霍尔推进器胜过了火力威猛的化学推进器。
我们不再去比较化学推进器和电推进器在比冲方面的差别，这样的比较会出现在大量的文献中，而结论也无非是：双组元化学推进系统的比冲一般在300秒左右，而波音702SP全电卫星上的XIPS-25电推进系统的比冲已经达到了3 800秒以上，因此电推进系统比化学推进系统优越很多。这样的评价显得有些抽象。
在这里，我们比较的是二者的喷气速度。并祭出先驱齐奥尔科夫斯基（摇篮叔）的大杀器：齐式火箭方程来给化学推进和电推进二者做个了断。“天下武功，唯快不破”，李小龙的这句名言道出了火箭推进系统的真谛。从摇篮叔的火箭方程中，我们可以看到，影响火箭最终速度（或者说速度增量）的因素有两个：一个是发动机的喷气速度，另一个是火箭发射质量与扣除燃料后的干质量的比值。如果一个火箭拥有很快的喷气速度，那么就会给火箭带来很大的优势。
优势一：在同样的速度增量的要求下，较大的喷气速度意味着较小的发射质量与干质量的比值。对于带有同样载荷的卫星来说，其发射质量会大幅减小。
按照目前的价格来算，仅发射费用就可以省下将近6 000万美元。另外，2吨级的卫星质量使得能够发射波音702SP卫星的火箭种类变得更多，使该星有更好的议价能力，还能让很多卫星以“一箭双星”的形式来发射。对于要在轨道上长期服役的卫星来说，电推进的优势就更明显了。一颗重4.8吨的以化学火箭来维持轨道高度的寿命达1 5年的卫星，其燃料储箱中带的燃料重达3吨。有效载荷的质量差不多只有燃料质量的一半。如果将这颗卫星升级为电推进卫星的话，只需不到200千克的氙就能完成同样的使命。
不过，电推进系统的推进器的推力太小了，这让卫星的入轨过程变得相当漫长。这就对卫星的寿命和抗辐射能力提出了不小的挑战。弄不好，卫星可能最终赢得了轨道却输给了岁月。
优势二：电推进系统即使在目前这个萌芽状态下，也已经能够赋予深空探测器以极快的速度，并且这样的速度是化学推进器难以企及的。这个优势用文字描述的话，终会显得枯燥。不妨让化学推进和电推进各选出一个代表来进行一场星际赛跑。毕竟一切不用数据来说明问题的讨论都是不太好的嘛。

热心网友时间：2022-07-17 14:08

霍尔推进器中的陷阱电子置于磁场中可电离所携带的推进剂。霍尔推进器包括稳态等离子体推进器，交叉电磁场捕获从阴极发射的电子，电子绕磁力线旋转并在放电区内作角向漂移，此角向漂移的电子电流称为霍尔电流。而角向漂移是交叉的径向磁场与轴向电场作用的结果(即霍尔效应)。这便是霍尔推进器得名的原因。角向漂移电子与通过阳极进入环形放电室的推进剂分子发生碰撞后电离，形成等离子体，其中离子在电磁场的作用下沿轴向加速，并高速喷出，从而产生推力。
磁场产生的电场将带电离子进行加速，形成等离子体射流，以此推动飞船前进。这个方法将为长期任务提供更高效安全的推进系统。除了用于小行星任务，新的推进系统也将应用于在火星建立基地、向太空发射大量货物等任务中。
目的为了完成在2020年首次改变小行星轨道的任务，美国宇航局格伦研究中心的工程师将对现有的推进器进行改进。这个任务将对诸如为宇航员进入深空（如火星）而研发的先进太阳能推进系统（SEP）等功能进行测试。SEP上使用了霍尔推进器，其所耗燃料将不到现有化学火箭的十分之一。在最近的测试中，格伦研究中心喷气推进实验室的工程师利用格伦真空室模拟真实的太空环境，并成功研制出了更高效、更长寿命、更大功率的新型霍尔推进器。电子推进系统主任丹·赫尔曼表示，新型推进器比旧型号的效率提高了50%，功率能达到之前的三倍。