文章图片
文章图片
2021年6月17日 ， 神舟十二号成功发射 ， 并与中国空间站的天和核心舱完成对接 。 而在核心舱之中 ， 有多项技术达到了世界前列水平 ， 引国人骄傲 。 其中 ， 用来调整姿态、维持轨道的霍尔发动机 ， 作为一项新技术 ， 走进了人们的视野 。 与常见的发动机不同 ， 霍尔发动机不需要化学燃料 ， 就可以喷出科幻电影中那般绚丽的尾焰 ， 推动飞船前进 。
如果不需要化学燃料 ， 那它的动力来源是什么？
为什么要采用这种装置？
这还得从火箭发动机的原理说起 。
“天和”核心舱（图片来源：中国载人航天）
Part.1 化学火箭的极限在哪里？
不管是飞翔、划船还是走路 ， 要想获得前进推力 ， 都只有一个方法——利用牛顿第三定律 。 比如 ， 走路时就需要我们的脚用力后蹬 ， 以受到地面的反作用力 ， 进而前进和加速 。
可问题来了 ， 太空中没有着力点 ， 那该如何获得推力？
答案是——抛出去自己的一部分 。
被抛物体的反作用力 ， 就成了火箭本身向前的推力 。 这依然是牛顿第三定律的应用 ， 还可叫做动量守恒 。
火箭想要前进 ， 就得“扔”东西 ， 随着火箭技术的发展 ， “扔”的东西越来越多 ， 也越来越快 。
按照推进能源划分 ， 最早的火箭叫作化学燃料火箭 ， 我国的长征五号火箭就属于这一类 。 它们通过燃烧燃料产生能量 ， 将燃气迅速喷出 ， 获得前进的动力 。
但人们发现 ， 这种火箭有个致命的缺点 ， 那就是燃料消耗量太大了 。
火箭很大一部分空间装的都是燃料和燃料罐 。 在人类历史上 ， 最大的火箭“土星五号” ， 起飞重量达3000多吨 ， 最后送上月球的部分只有45吨 ， 剩下的质量几乎都是燃料 。
要想减少燃料消耗 ， 还得从火箭的原理着手 。 前面说过 ， 火箭的推力是靠动量守恒获得的 ， 动量等于速度和质量的乘积 ， 所以不管扔的是燃烧前的燃料（及助燃剂） ， 还是燃烧后的燃料 ， 只要扔的速度不变 ， 产生的动量就不变 ， 即获得的推力不变 。
因此 ， 要想减少质量 ， 又不降低推力 ， 方法只有一个——以更快的速度扔出 。
但人们发现 ， 靠化学燃烧 ， 喷出物只能达到10km/s的速度“天花板” ， 难以满足我们的航天探索需求 。 要突破这一极限 ， 只能另谋出路了 。
Part.2 效率更高的发动机——离子推进器
怎样获得更高的喷射速度呢？科学家们想到了粒子加速器 ， 它能产生目前人类能达到的最高速度——可以使粒子达到光速的99%以上 。
但它的体积比较大 ， 动辄上百米甚至几十公里的长度 ， 可不是直接就能装到火箭上的 ， 于是它的简化版本 ， 离子推进器诞生了 。
离子推进器的原理 ， 就是用电子轰击原子产生离子 ， 然后通过电场加速离子 ， 向后喷出获得推力 。 离子推进器的体积小巧 ， 甚至可以和家用扫地机器人差不多大 ， 喷射速度却是化学燃烧的十倍 。 也就是说 ， 只要消耗十分之一质量的工质 ， 就可以获得和化学火箭一样的推力 。
NASA的演进氙离子推进器（NEXT）计划研制了一台7千瓦功率的粒子推进器（图片来源：NASA）
但它有个缺点 ， 高速运动的离子会和加速用的电极栅板碰撞 ， 不但影响效率 ， 还会产生腐蚀 ， 用不了多久 ， 电极板就报废了 。
Part.3 再进一步——霍尔发动机
为解决这个问题 ， 科学家们又从离子推进器的结构入手 ， 开始改良离子的碰撞问题 。
离子会碰到电极栅板 ， 是因为原来的结构中 ， 离子产生区域和加速区域是分开的 ， 离子要射出去 ， 必须经过电极栅板 ， 这样就难免会发生碰撞 。
而如果把两个区域合并 ， 不仅可以取消掉一个极板 ， 还能减小空间 。 人们将喷口处的负极板取消 ， 做成敞口结构 ， 这样既能达到加速离子的效果 ， 又不会碰到极板 ， 避免了腐蚀问题 。
但这样又产生了新问题：把两个区域合并 ， 虽然能避免离子和电极板碰撞 ， 但又产生了电子和正极板碰撞的弊端 ， 导致离子的生成率大幅降低 。
推荐阅读
- 重大成就！我国首颗陆地探测卫星升空，印度人惊叹：真是不可思议
- 这野兽真可怜！常被黄鼬咬断脖子，豹叼它喂幼崽，猞猁靠它过日子
- 地球的岩石，和月球的岩石有相同之处吗？
- ?了解更多关于俘获离子量子计算的详细信息
- 美国实现登月之后，为什么没有开发月球上的资源？
- 远隔38万公里，为何宇航员登上月球后，却偏偏不敢回头看地球？
- 太空温度达零下270摄氏度，为什么太阳光到达地球后反而变热了？
- 照亮月球最黑暗的区域
- 在国际空间站中，人类可能受到的伤害
- 事关月球采矿控制权，美国拒绝与中国合作，没想到中方已抢先一步