鹿鳴

2017年5月7日，執(zhí)行第4次任務(wù)的美國X-37B空天飛行器在完成718天的在軌飛行后，返回肯尼迪航天中心。作為美國空軍的軌道試驗飛行器，X-37B的多次任務(wù)均未公布細節(jié)。這幾次飛行，帶來什么載荷上去，又進行了哪些試驗，往往不為人知。而這次X-37B的飛行任務(wù)，從美國軍方無意間透露的信息來看，可以確認(rèn)上面搭載了霍爾推進器。那么，霍爾推進器是怎樣的一種設(shè)備？作為電推進系統(tǒng)中的一員，霍爾推進器與傳統(tǒng)的化學(xué)火箭推進器之間又有什么區(qū)別呢？未來人類將會用霍爾推進器執(zhí)行怎樣的任務(wù)呢？

霍爾推進器

1879年，美國物理學(xué)家霍爾于在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電壓。這個電壓叫做霍爾電壓。這—現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。

然而，雖然美國人發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但是世界上第一臺霍爾推進器卻是蘇聯(lián)科學(xué)家研制成功的。

1962年，蘇聯(lián)科學(xué)家莫羅佐夫提出了靜態(tài)等離子推進器（Stationary Plasma Thruster，簡稱SPT）的概念。推進劑氣體一部分通過陽極進入環(huán)形放電室，—部分進入空心陰極。在推進器內(nèi)部，有一對互相垂直的電場和磁場（電場沿軸向方向，磁場沿徑向方向）。空心陰極是一個維持穩(wěn)定放電的電子源。其產(chǎn)生的電子在徑向磁場的洛倫茲力的作用下，形成了一個做圓周運動的電子束。這個電子束便是霍爾電流的來源?；魻栯娏髟诖艌鲋挟a(chǎn)生霍爾效應(yīng)。在軸向電場的相互作用下，歡騰的電子與推進劑激烈碰撞并使推進劑電離。在電磁場的作用下，推進器內(nèi)部的離子產(chǎn)生軸向加速度，并最終高速噴出，形成推力。

近幾十年來，人類科學(xué)家和工程師不斷努力，也就終于使得霍爾推進器得到了工程應(yīng)用。當(dāng)離子推進器的工質(zhì)采用氙后，就成了氙離子推進器（XIPS），該推進器與穩(wěn)態(tài)等離子推進器（SPT）（屬于霍爾推進器的一種）一起，成為目前和可預(yù)見的將來使用得最為廣泛的電推進系統(tǒng)。

2006年發(fā)射的TacSat-2衛(wèi)星、2010年發(fā)射的美國軍用通訊衛(wèi)星USA-214和美國軍用小衛(wèi)星USA-221、2012年發(fā)射的美國國家偵察局用衛(wèi)星USA-235等衛(wèi)星都使用了霍爾推進器。

2001年至2006年期間發(fā)射的以休斯公司的“HS-601HP”平臺為基礎(chǔ)的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亞洲4號、Galaxy 13、MEASAT 3等衛(wèi)星和深空1號探測器、黎明號探測器以及2015年3月初發(fā)射的波音702SP（世界上首款全電推進衛(wèi)星）則采用了氙離子推進器。

不過，目前霍爾推進器的進一步軍用化和普及化則尚需時日。這也就是近日剛剛返回地面的X-37B空天飛行器升空的一個重要原因，即全面測試新型的霍爾推進器。

有人說電推進技術(shù)將會立刻替代化學(xué)推進技術(shù)成為衛(wèi)星和深空探測器的主要動力。但是也有人認(rèn)為電推進技術(shù)尚處在萌芽階段，尤其是推力太小，尚不能馬上全面替代化學(xué)推進技術(shù)。

的確，無論是霍爾推進器還是氙離子推進器，它們的推力都實在是太小了。以深空1號為例，她上面搭載的離子推進器功率為2.3千瓦，其峰值推力約為92毫牛。無論是發(fā)動機功率還是推力，深空1號的離子推進器都已經(jīng)算是同類推進器中較大的了。一張80g的A4紙的質(zhì)量約為4.99克。這張紙在咱們地球上所受的重力約為48.9毫牛。也就是說，深空1號深空探測器的離子推進器火力全開的時候，其推力也不足以托起兩張A4紙。

但是，就是這樣纖弱的力量，卻能夠在近地軌道衛(wèi)星和遠程星際探索中使離子推進器和霍爾推進器勝過了火力威猛的化學(xué)推進器。

我們不再去比較化學(xué)推進器和電推進器在比沖方面的差別，這樣的比較會出現(xiàn)在大量的文獻中，而結(jié)論也無非是：雙組元化學(xué)推進系統(tǒng)的比沖一般在300秒左右，而波音702SP全電衛(wèi)星上的XIPS-25電推進系統(tǒng)的比沖已經(jīng)達到了3 800秒以上，因此電推進系統(tǒng)比化學(xué)推進系統(tǒng)優(yōu)越很多。這樣的評價顯得有些抽象。

在這里，我們比較的是二者的噴氣速度。并祭出先驅(qū)齊奧爾科夫斯基（搖籃叔）的大殺器：齊式火箭方程來給化學(xué)推進和電推進二者做個了斷?！疤煜挛涔?，唯快不破”，李小龍的這句名言道出了火箭推進系統(tǒng)的真諦。從搖籃叔的火箭方程中，我們可以看到，影響火箭最終速度（或者說速度增量）的因素有兩個：一個是發(fā)動機的噴氣速度，另一個是火箭發(fā)射質(zhì)量與扣除燃料后的干質(zhì)量的比值。如果一個火箭擁有很快的噴氣速度，那么就會給火箭帶來很大的優(yōu)勢。

優(yōu)勢一：在同樣的速度增量的要求下，較大的噴氣速度意味著較小的發(fā)射質(zhì)量與干質(zhì)量的比值。對于帶有同樣載荷的衛(wèi)星來說，其發(fā)射質(zhì)量會大幅減小。

按照目前的價格來算，僅發(fā)射費用就可以省下將近6 000萬美元。另外，2噸級的衛(wèi)星質(zhì)量使得能夠發(fā)射波音702SP衛(wèi)星的火箭種類變得更多，使該星有更好的議價能力，還能讓很多衛(wèi)星以“一箭雙星”的形式來發(fā)射。對于要在軌道上長期服役的衛(wèi)星來說，電推進的優(yōu)勢就更明顯了。一顆重4.8噸的以化學(xué)火箭來維持軌道高度的壽命達1 5年的衛(wèi)星，其燃料儲箱中帶的燃料重達3噸。有效載荷的質(zhì)量差不多只有燃料質(zhì)量的一半。如果將這顆衛(wèi)星升級為電推進衛(wèi)星的話，只需不到200千克的氙就能完成同樣的使命。

不過，電推進系統(tǒng)的推進器的推力太小了，這讓衛(wèi)星的入軌過程變得相當(dāng)漫長。這就對衛(wèi)星的壽命和抗輻射能力提出了不小的挑戰(zhàn)。弄不好，衛(wèi)星可能最終贏得了軌道卻輸給了歲月。

優(yōu)勢二：電推進系統(tǒng)即使在目前這個萌芽狀態(tài)下，也已經(jīng)能夠賦予深空探測器以極快的速度，并且這樣的速度是化學(xué)推進器難以企及的。這個優(yōu)勢用文字描述的話，終會顯得枯燥。不妨讓化學(xué)推進和電推進各選出一個代表來進行一場星際賽跑。畢竟一切不用數(shù)據(jù)來說明問題的討論都是不太好的嘛。

一場星際賽跑

我們不妨用發(fā)射質(zhì)量達到了輕巡洋艦級別的土星5號火箭上面的F1液氧煤油發(fā)動機與總重不到500千克的深空1號來一場星際賽跑。

一臺F1液氧煤油發(fā)動機的推力為6909千牛（大約能舉起705噸的重物，相當(dāng)于54輛加長型公交車），比航天飛機的3臺主發(fā)動機的推力加起來還要大（約為航天飛機主發(fā)動機推力的3.8倍）。這個大家伙1秒鐘就要燒掉約2.66噸燃料。在阿波羅計劃中，F(xiàn)1發(fā)動機的工作時間約為159秒，燃氣噴流的速度約為2 596米/秒。單臺F1發(fā)動機需要燃料423.099噸。

按照火箭燃料占火箭總質(zhì)量的85%這一指標(biāo)來設(shè)計一枚參賽用的火箭，則火箭的發(fā)射質(zhì)量為497.3235噸，其中F1發(fā)動機本身的燃盡質(zhì)量為9.15噸，火箭殼體和有效載荷的總質(zhì)量為65.51 45噸。

深空1號探測器的離子推進器的推力約92毫牛，連兩張疊在一起的A4紙都吹不起來。該推進器要用5天零19個小時的時間才能用去1千克燃料。深空1號的發(fā)射質(zhì)量為486.3千克，其中燃料只有81_5千克（約占16.8%）。不過，深空1號上的推進器有一個指標(biāo)非常耀眼：噴流的速度為43 000米/秒（是F1發(fā)動機的16.6倍，約為真空中光速的1.4萬分之一）。

比賽一開始仿佛沒有什么懸念，F(xiàn)1發(fā)動機力量強，加速快，10s后，她的速度已經(jīng)達到了142.6米/秒（時速513.4千米）。

而深空1號探測器并不著急，此時她的速度為1.88毫米/秒，得仔細看才能確信她在動。159秒后，F(xiàn)1發(fā)動機以飛出274.6千米，并且將最終速度鎖定在4.925千米/秒。此時，深空1號飛出了2.374米，速度2.98厘米/秒，比小螞蟻爬行的速度還要慢?；蛟S有人會認(rèn)為這時應(yīng)該結(jié)束比賽并宣布化學(xué)火箭F1完勝了。畢竟，274.6千米與2.374米的差距還是蠻大的，如果他們都是從北京市中心上空出發(fā)的話，F(xiàn)1已經(jīng)飛到了山東省，而深空1號剛剛從床上爬起來走向衛(wèi)生間。

不過，星際賽跑拼的是最終速度，而不是短距離的沖刺速度。從159秒之后，F(xiàn)1的速度就不再增加，而深空1號則鍥而不舍地做著加速運動。15個小時過去了，深空1號來到了F1發(fā)動機達到她的最大速度的地方（河北衡水上空），時速為36.5千米。那些曾經(jīng)笑話她比蝸牛還慢的人，此時騎著自行車也很難追上她了。不過，她離F1還是越來越遠。抬頭望去，F(xiàn)1在25.45萬千米處。1天后，深空1號走了700多千米，時速為57.6千米。3天后，深空1號的時速超過了175千米，并且走了6300千米遠。6個月過去了，深空1號的速度達到了3千米/秒，距離F1還有5千萬千米。10個月后，奇跡出現(xiàn)了。深空1號的速度居然超過了F1，達到了5.1千米/秒。14個多月后，深空1號的燃料終于燃燒殆盡，她達到了她的最終速度：7.89千米/秒。18個多月后，深空1號趕上并超過了F1。這時，她們已經(jīng)飛了2.23億千米。深空1號在F1進入木星軌道之前超過了她，并且將會一直保持著領(lǐng)先的優(yōu)勢。

這場史詩級的賽跑最終以電推進的勝利而告終。但是，深空1號這個選手其實并沒有為贏得比賽而進行特殊改裝。

為了充分表現(xiàn)電推進系統(tǒng)在星際遠征時代能夠達到多大的最終速度，我們給她加注了足夠的燃料，像填滿化學(xué)火箭那樣，讓其燃料質(zhì)量占發(fā)射質(zhì)量的85%。那么，電推進系統(tǒng)能使探測器擁有的最終速度為81.58千米/秒！這個速度足夠讓探測器飛出太陽系，飛向浩淼的星辰大海。

當(dāng)然，我們也不能盲目樂觀。以這個速度在太陽系內(nèi)進行短途旅行還是可以接受的，但是想要進行太陽系外的星際遠征，還是有些慢。以目前的電推進系統(tǒng)為動力的星際飛船，到達離咱們最近的恒星半人馬座α星C需要3 677年，實在是有些太漫長了。因此，星際遠征的時代只能說是近了，而不能說是到了。

大膽展望未來

能否用霍爾推進器讓飛船從地面進入地球軌道呢？電推進系統(tǒng)能不能在大氣層內(nèi)高效運作呢？想要告別化學(xué)火箭，用電推進系統(tǒng)來讓航天器入軌可行么？星際遠征的飛船能不能就這么從地面起飛然后直接奔向遠方呢？既然科幻電影里面大多是這么演的，咱們也就不得不這么算一算咯。

目前推力非常大的電推進系統(tǒng)中有個叫NEXT的。它是NASA的得意之作，其功率達到了6.9千瓦，是深空1號和黎明號上用的離子推進器的3倍。她的效率能夠達到70%。以她為動力的探測器能夠?qū)?噸重的載荷送到土星軌道上。

而它的推力有多大呢？答案是：0.236牛。也就是說，在地球上，兩臺NEXT離子發(fā)動機的推力加起來能夠勉強舉起一只個頭兒比較小的雞蛋。單臺電推進系統(tǒng)的推力較小，咱們把她們捆綁起來一起啟動會怎樣呢？10臺不夠的話，綁個百萬臺怎樣？

然而，仔細計算后，我們發(fā)現(xiàn)：捆綁是解決不了問題的。NEXT的質(zhì)量與功率比是4.8，也就是說1千瓦的功率對應(yīng)4.8千克的發(fā)動機質(zhì)量。這個值在電推進系統(tǒng)中算是比較小的了，上一代的霍爾推進器的質(zhì)量功率比普遍在6左右。如此看來，電推進發(fā)動機連自己的外殼都抬不動，捆綁再多也是無濟于事的。目前看來只能寄希望于人們把質(zhì)量功率比做得越來越小，當(dāng)電推進系統(tǒng)至少能把自己推起來的時候，事情就好辦一些了。

不過，我們可不想就這么坐等那一天的到來，還是折騰一番才能對得起這大開的腦洞吧。按照目前霍爾推進器的功率與推力的比例關(guān)系，我們極大地變大推進器的尺寸，然后將其安裝到一艘100噸重的星際飛船上。那么，我們需要飛船的動力系統(tǒng)能夠提供給推進器的電功率至少為28653兆瓦才能使飛船飛離地面，需要約115 000兆瓦以上的電功率才能讓飛船以現(xiàn)今化學(xué)火箭的加速度發(fā)射。

這樣的電功率是什么概念呢？2009年8月14日，長江迎來了一個汛期洪峰。當(dāng)天，三峽水電站首次實現(xiàn)投產(chǎn)后的滿負荷發(fā)電，發(fā)出的功率為1 820萬千瓦，也就是18 200兆瓦。要想讓100噸重的星際飛船進入近地軌道的話，需要這艘飛船的電功率頂?shù)蒙?.3個三峽水電站。

但是就算這樣的超級發(fā)電裝置已經(jīng)能夠裝到飛船上，電推進系統(tǒng)在地面起飛階段仍然還是比較困難的。這個困難不僅來自于技術(shù)本身，還來自于對發(fā)射成本的考慮。無論是離子推進還是霍爾推進，都需要以高速噴出的離子為工質(zhì)。

氙以其易電離、離子重和對飛行器比較友好等特點成為了電推進系統(tǒng)中的優(yōu)質(zhì)工質(zhì)，而且目前尚難被其他工質(zhì)替代（即使用氙的近親氪來代替，效率也會驟降15%左右）。但是，氙實在是太稀少了，在地球大氣層中的含量只有1150萬分之一。提取1升的氙氣需要消耗220度電。在起飛階段，為了產(chǎn)生大推力，需要將工質(zhì)以很大的質(zhì)量流量噴出去。按照目前的電推進系統(tǒng)的技術(shù)水平，噴流速度能夠達到43 000米/秒，那么為了把星際飛船發(fā)到近地軌道，每秒鐘至少要消耗91.16千克的氙。要知道，81千克的氙就足夠讓一個半噸重的探測器去探測彗星了。

因此，即使今后電推進技術(shù)得到了極大發(fā)展，出現(xiàn)了十萬兆瓦級的電推進器或者推力為數(shù)萬牛的霍爾推進器，也不會用他們把星際飛船從地面發(fā)射到近地軌道，因為這實在是過于暴殄天物了。當(dāng)然，如果人類科技那時候已經(jīng)發(fā)達到能夠在木星大氣層中提取氙氣的時候則另當(dāng)別論。

一種比較可行的方案是：用核能發(fā)電，在起飛階段，將液態(tài)氫噴到核發(fā)電系統(tǒng)的熱交換器上，并高速噴出，產(chǎn)生強大的推力，將飛船推向近地軌道。在太空環(huán)境中，采用氙為工質(zhì)，用霍爾推進的方式，讓飛船持續(xù)加速，直到達到令人滿意的星際航行速度。

責(zé)任編輯：邢強