打破太阳系枷锁霍尔推进器新浪科技

来源：虎嗅APP

题图来自：电影《流浪地球》

作者：老和山下的小学僧

离子发动机、光子发动机、霍尔推进器……莫急，咱们先给这些充满科幻色彩的概念划一条边界。

截止今天为止，人类所有的火箭发动机，都是依靠向外扔东西产生的反作用力获取动力，学术点说就是动量守恒定律。

现有的物理理论，对引力空间的认识水平和神棍差不多，完全不存在动量守恒之外的发动机原理。

因此在很长一段时间内，发动机还得靠扔东西产生动力，扔得越快，动力越大。

非常抱歉，混了这么多年还是牛顿第三定律。

火箭极限

所以，但凡想上天的发动机，都是围绕“如何更快地扔燃料”而设计的。

比如飞机发动机，为了扔得更快，就拼命倒燃料，燃烧需要空气，于是就在发动机里装了一台抽风机。但是空气的含氧量只有20%，就算抽风机把空气压缩成液体塞到燃烧室里，其实也没多少氧气，所以燃料喷射速度并不快，只有每秒几百米，这对火箭来说简直就是塞牙缝。

火箭发动机自带纯氧，燃烧当然更充分，燃料喷射速度能达到2～5km/s。可惜这么多年过去了，最好的燃料依然还是液氢液氧，想要更快，就得用炸药了。

炸药的爆炸速度一般是7km/s，不过用炸药当燃料，一般人可吃不消。

总的来说，如果不考虑尚未实用的全氮阴离子盐，这大概就是化学燃料的极限了。

说得有点抽象，本僧来秀一把硬核计算。假设把20吨货送到近地轨道，不考虑空气阻力、势能和火箭干重：

若燃料喷射速度是m/s，则需万吨燃料。这是飞机发动机的水平。

若燃料喷射速度是2.5km/s，则需吨燃料。这是当前主流火箭的及格线。

若燃料喷射速度是5km/s，则需77吨燃料。接近当前化学燃料的理论极限。

若燃料喷射速度是30km/s，则需6吨燃料。霍尔推进器的喷射速度。

若燃料喷射速度是km/s，仅需公斤燃料。据说这是仅靠现有技术就能压榨出的离子发动机的全部潜力。

不过理论上，只要电压足够大，离子可以无限接近光速，比如对撞机能把粒子加速到光速的99%以上，若是把这当成发动机喷射燃料的速度……把20吨货送到近地轨道，仅需克燃料。

前景算是很美好了，下面该倒苦水了。

离子发动机

你可能想不到，像离子发动机这么科幻的设备，居然在年NASA的考夫曼就搞出来了。

考夫曼与他手中的离子推力器

其大概原理和电磁炮差不多，如下图：先将汞注入电离室，然后电子枪注入电子，用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子，汞离子呈正电，用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力。

在出口附近再装一把电子枪，向离子束注入电子，使其中性化，恢复成原子。不然带电离子会沾满整个航天器，发动机内部也会积累电子产生静电，各种麻烦。

简单来说，前面用电子枪电离，后面用电场加速，原理一目了然。不过考虑到推进效率和腐蚀性，现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙。

年美国“深空1号”彗星探测器首次将离子发动机作为主力推进系统应用在深空飞行，发动机自重只有8公斤，仅携带82千克氙就进行了20个月的飞行。

电离不一定非得用电子轰击，比如把盐扔到水中就可以得到氯离子和钠离子，还比如，微波也可以直接电离气体。

年有个大新闻，日本隼鸟二号探测器在3亿公里外的小行星成功取样，用的就是微波离子发动机，采用微波电离。

在小行星降落、采样、上升，一气呵成。

离子推进器的原理和结构并不复杂，但问题也很多。比如后面正负极的加速格栅就很碍事，不但效率不行，还得经受高速离子的冲击腐蚀，对材料要求贼高。

于是，大家就想起了霍尔。

霍尔推进器

相比原理单纯的离子推进器，霍尔推进器的原理就有些烧脑了，小盆友们看出点感觉就行。

先说下霍尔效应：电流在磁场中通过时，电子或离子会横向移动，导致导体有个横向的电势差。就好像长江水流有个横向的作用力，使南岸的水位比北岸的高。

这样的好处是，当电子（负电）和离子（正电）混在一起时，可以利用霍尔效应分开，做到一边电离一边加速。也就是说，霍尔推进器把电离部分和加速部分合到了一起，也就是把磁场和电场合到一起，舍弃了原先碍事的加速格栅。

为了让混在一起的电子和离子各司其职，磁场和电场的设计显然更为精巧，喷口从一面筛子变成了一个环形结构。

八仙过海

离子推进器和霍尔推进器是最主流的两类应用，两者差别一目了然。

原理再调整一下，还能分出很多类型，比如：脉冲等离子体推进器、磁等离子体推进器、电弧加热推进器等等。

基本思路都是先把原子电离，然后用电场轰出去。至于原理么，本僧只负责把这组德文图片补齐，能领悟多少就看阁下造化了：

不过说实在的，因为本质上都是折腾离子，所以笼统地称为“离子推进器”也没什么不妥。还有，发动机、推力器、推进器，只是叫法不同，都是一个意思。

离子推进器有个优点是不挑食，易电离的原子都可以作为推进剂。氙是当前主流推进剂，但人家毕竟是稀有气体，很金贵的。所以其他推进剂也很热门，如锌、氮、碘、镁、铋等，光谱都不一样，煞是好看。

看起来形势还不错啊，为啥离子推进器以前没咋听说呢？这当然是因为你孤陋寡闻嘛！

积跬步至千里

离子推进器虽然喷口速度比化学发动机快一个数量级，但喷出来的东西实在太少，算到最后推力实在小的可怜，所以都用“毫牛”做单位，和放屁的力气差不多。

因此从地面到太空还得靠化学火箭，到了太空才是离子推进器的舞台。

年美国深空1号，离子发动机喷口速度接近30km/s，但工作一整天只能喷克燃料，仅仅给卫星增加了10m/s的速度，算下来推力只有90毫牛，相当于9克的重量。

好在这玩意儿实在持久，累积工作了小时，期间各种加速减速，与小行星你来我往，战功硕硕。

离子推进器其实算不上很黑的黑科技，深空飞行已经普遍采用。一般而言，离地球万公里开外就算“深空”，在这种地方，笨重的化学火箭就是根废柴。

7年美国的Dawn黎明号小行星探测器，3台离子推进器，推力92毫牛，累积飞行11年69亿公里。

年欧洲宇航局发射的BepiColombo水星探测器，4台离子推进器，合计推力毫牛，计划飞行7年90亿公里。

欧洲SMART-1尽管只是探测月球，也使用了离子发动机为主推进器。

还有从3亿公里外的小行星上取样品的隼鸟号，屁股上4台离子推进器格外醒目。

除了深空飞行，在地球附近的变轨爬坡，也不乏离子推进器的身影。因为离子推进器靠电运用，所以也叫电推。

年SpaceX发射了两颗全电推进的通信卫星，安装了4台XIPS-25离子推进器，推力毫牛。

这俩卫星靠离子推进器从转移轨道爬到了3.6万公里高的同步轨道：

原本这类在地球附近的变轨都是化学火箭的事儿，几小时就能完成，但要多带好几吨燃料。离子推进器则相反，小巧玲珑成本低，但变轨过程要持续几个月。

显然，最近几年大伙的耐心是越来越好了，商业卫星采用全电推进的比例大幅上升，估计已经超过一半了。

离子推进器本就不高的门槛快被踏烂了：美国L-3公司的XIPS离子系列、Busek公司的BHT霍尔系列、AMPAC-ISP公司的T霍尔系列，日本的μ微波系列，英国T离子系列，德国RIT射频系列，俄罗斯SPT霍尔系列……

如果说前面这些业务是从化学火箭手里抢的，那么下面这些活，凭的就是自己本事了。

秋毫之末定乾坤

大伙可能没想到，推力小其实还有优点：精准！

你想想，化学火箭轻轻吹口气就狂风暴雨，要把握力度就太难了。推力小了，反而可以精准调控，特别适用那些精度要求极高的卫星。

9年欧洲宇航局发射的GOCE探测器，以前所未有的精确度绘制了地球重力场。由于测量精度要求很高，卫星必须在大约公里的低轨道飞行，而这个高度有很多空气分子，微小的空气阻力会导致卫星高度逐渐下降。

于是，GOCE就装了离子推进器，用来抵消细微的空气阻力，这货持续工作了2年，让卫星始终保持在一个精准的轨道上，展现了无与伦比的优势。

如今，轨道定位、控制姿态完全是离子推进器的天下了。但这点能耐其实不算啥，离子推进器真正的绝活在这儿呢：

还记得地面引力波怎么探测吧，引力波使相隔4公里的反射镜产生了0.米的位移。若想位移更显著一点，就得增加反射镜间距，地球上这点距离已经无法满足要求了，于是大家想到了太空。

激光干涉空间天线LISA，美帝和欧萌合作的太空引力波探测计划，打算年代完成，用3颗卫星组成边长万公里的三角形，激光跑完全程得花25秒。有兴趣的盆友，给你个

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