霍爾推進器其實不新鮮

司古

5月份升空的X-37B任務沒有再裹上厚重面紗，此次美國直接宣布，X-37B的主要使命是在空間對新型霍爾推進器進行測試。一時間關于霍爾推進器的關注度激增，其實這種推進器雖然可稱為新概念推進器，但其實算不得新鮮。

霍爾推進器得名于1879年美國物理學家霍爾發現的霍爾效應，它是一種通過電場來加速推進介質的離子推進器?；魻柾七M器先通過磁場捕捉并加速電子，然后用它們使推進劑離子化，并利用電場加速離子來產生推力，最后在尾焰里對離子進行中和。通過這種方式，霍爾推進器可以把離子加速到每秒10～18千米噴出，許多型號的離子噴射速度可達15～30千米/秒，比沖高達1 500～3 000秒?；魻柾七M器使用的推進劑并不唯一，但最為常用的是氙氣，其他推進劑則包括氪、氬、鉍、碘、鎂等。

美國和蘇聯很早就意識到了霍爾推進器的潛力，自上世紀60年代起，兩國分別對此展開了研究。但美國后來中止了研究，而蘇聯則率先開發出實用型SPT和DAS兩個系列產品。1971年12月發射的蘇聯探測器上，就裝上了SPT-50霍爾推進器，主要用于穩定衛星姿態。自那時起直到上世紀90年代末，蘇聯/俄羅斯航天器上總計使用過近200個霍爾推進器，其中一些仍在工作，據說從未發生過故障。第一代SPT推進器中，SPT-50和SPT-60推力分別為20和30微牛。1982年推出的SPT-70和SPT-100推力分別為40和83微牛。俄羅斯時代，一批功率更大的霍爾推進器相繼投入使用。

蘇聯解體后的1992年，美國從俄羅斯獲得了霍爾推進器，此后美國和歐洲一些航天器也開始應用。鑒于這種推進器的高可靠性和簡單結構，美國、法國、意大利、日本等國都加大了研究力度。2003年歐空局發射的“智慧”1號（SMART-1）月球探測器就安裝了霍爾推進器，這是霍爾推進器首次進入月球軌道。2010年8月美國發射的軍用先進極高頻通信衛星上采用的Aerojet BPT-4000型霍爾推進器，是第一種安裝在實用太空設備上的美制霍爾推進器。BPT-4000額定功率4.5千瓦，算是進入太空的霍爾推進器中功率最大的，除了幫航天器調整姿態，BPT-4000還能讓它們提高軌道。

其實高中物理知識就能講清楚霍爾推進器的基本原理。它的核心就是一個利用高壓電極構建的軸向電場和一個利用線圈構建的內輻射狀磁場。當電子流從外環的負極和內環的正極流動時，就會受到強大的內輻射狀磁場作用，在內環以圓周運動方式高速“狂奔”。此時就該推進劑登場了，它必須擁有兩個特點，首先是體重要夠格，也就是原子量要夠大，其次是比較容易離子化?？茖W家們選用最多的是氙氣。他們把氙氣釋放機構安裝在正極附近。當中性的氙氣被釋放后，氙原子與環道里高速瘋跑的電子會頻繁“撞車”，被撞飛電子成為正離子。帶正電的氙離子馬上也在電場的作用下加速，達到15千米/秒以上的速度，比沖達到1 500秒以上，這比固體和液體火箭發動機數百秒的比沖可強大多了。

霍爾推進器產生的推力根據其功率水平有所差異，1.35千瓦級的大約能產生83微牛推力，實驗室里大功率霍爾推進器曾產生過3牛頓的推力。2009年時，霍爾推進器的噴射速度最高已接近50千米/秒，效率可達45%～60%，推力40～600微牛。雖然推力非常小，但在太空微重力和微阻力環境下，這種推進器依然可以緩慢改變航天器的姿態，而且壽命較長，特別適合高價值太空戰略資源。目前霍爾推進器大多用來調整衛星軌道和姿態，如果發展順利，能做出超高能的霍爾推進器，在宇宙里對飛船實施長期緩慢加速，也許它真能成為新一代無人飛船的主發動機。

責任編輯：武瑾媛