天宫空间站 推力只有80毫牛的“霍尔发动机”,为何能推动天宫空间站?


天宫空间站 推力只有80毫牛的“霍尔发动机”,为何能推动天宫空间站?
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6月17号 , 我国成功发射神舟12号飞船 , 随后飞船顺利对接天宫空间站的核心舱 , 3名航天员进入空间站开始3个月时长的太空之旅 。 8月20号的上午 , 宇航员们第二次成功出舱行走 , 随后全景相机被他们顺利抬升 , 并且完成扩展泵组的安装工作 。
核心舱是天宫空间站最重要的一个部分 , 它的直径有4.2米 , 长度是16.6米 , 重量为22吨 , 体积约等于50立方米 , 使用寿命可以达到15年左右 。 和国际空间站相比 , 我国的核心舱在容积和大小上更优秀 。 而且天宫空间站也有多项技术领先国际水平 , 包括推进系统 。
传统动力系统
牛顿的第三定律认为 , 一个物体不管在空间内还是在水中或地面 , 当另一个物体对它施加压力时 , 它必定也会反馈一个反作用力给施力对象 。 在这种情况下 , 这个物体的运动状态或静止 , 或加速 , 或减速 , 或均速向前 。
物体在空中运动时 , 虽然肉眼看不到空中的物体支撑点 , 但由于受到空气强流动性的影响 , 物体的运动状态还是会和地面或水中一样 。
利用动能守恒定律和牛顿的第三定律 , 我们可以让空中的物体加速向前运动 , 最有用的方法就是往物体运动的反方向 , 不断抛洒物质 , 抛出去的物质数量越多、速度越快 , 物体往前面冲的速度就会变得更快 。
这种现象被人类用到了卫星和探测器的发射系统上 , 也就是我们所知的传统化学燃料推进系统 。 点燃化学燃料之后 , 它们会产生一种向后方喷射的气流 , 火箭正是借助了这股气流才得以升空的 。
但是这种推进系统却有两个明显的缺陷 , 一个是想要获取足够大的推力 , 火箭的重量要足够大 , 提供的燃料量要足够多 , 这样一来火箭的总质量就会加重 。
另一个缺陷是燃料燃烧时产生的高热气流 , 会受到燃烧效率、能量转化率和空气阻力等因素的制约 , 每秒钟能达到的最高喷射速度也只有10公里左右 , 想要突破这个速度非常困难 , 根本不能满足人类探索宇宙的需求 。
离子动力系统
为了更好地探索宇宙 , 人类在动力系统的研究上下了一番苦功 , 随后成功发明了升级版动力系统——离子推进系统 。
离子推进系统的原理主要是原子被电子轰击之后会变成离子 , 在电场力的作用之下 , 带电的离子会以加速度的运动状态喷出 , 这股喷出的力量会产生一股反作用力推动火箭 , 将其成功发射升空 。
离子推进系统制造而成推进器体积和花盆差不多大 , 但离子喷出时产生的气流却很强大 , 比传统动力系统的10倍还要大 , 而且操作起来更灵活 , 还能节省很多燃料 。
不过 , 这种动力系统也有一个缺陷 , 那就是离子在高速运动过程中 , 势必会和加速器内的电极板发生碰撞现象 。 时间一长 , 生成离子的效率和离子的运动速度都会受到影响 , 而且还会腐蚀推进器 , 让推进器的使用寿命变短 。
比离子动力系统更强的推进系统
为了解决离子在加速运动中和电极板碰撞的这个问题 , 科学家们改进了推进器的结构 , 将离子生成区和离子加速区合并在一起 , 还将一个电极板改成敞口 , 这样一来加速状态下的离子就不会再撞到电极板 。 但是使用这个方法之后 , 推进器又出现了新的问题 , 那就是加速区的电子和电极板出现碰撞现象 。
这个新出现问题的解决办法是:利用霍尔效应形成的磁场 , 将电子运动的轨迹限制在加速电场 , 让其和原子的碰撞变得更有方向性 , 加速离子最终只能从敞口中喷出 。 如此一来 , 推进器就不再会被离子腐蚀 , 也不会被电子碰撞 。
根据动能守恒定律 , 喷出离子的质量越大 , 形成的反作用力就越大 , 航天器受到的推力就会越强 。 这样一来 , 和加速电子相碰撞的原子就需要满足序数足够高 , 半径足够大 , 状态稳定 , 不容易和其他物质出现化学反应等特点 。
科学家们发现元素周期表中的惰性气体 , 非常符合这些要求 , 综合评估之后 , 气体氪变成了新型推进器的工质 , 制造出来的推进器推力是80毫牛左右 。

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