小火箭出品

本文作者：邢強(qiáng)博士

“霍爾推進(jìn)”、“全電衛(wèi)星”、“離子推進(jìn)”這些概念終于從學(xué)術(shù)論文和軍用衛(wèi)星項(xiàng)目中發(fā)展到了實(shí)用化的商業(yè)衛(wèi)星上并進(jìn)入了公眾的視野中。

小火箭認(rèn)為，幾十年后，當(dāng)人類在火星基地和遠(yuǎn)征遙遠(yuǎn)星際的飛船中回眸航天技術(shù)發(fā)展的時(shí)候，我們在今天討論的有關(guān)電推進(jìn)的話題或許仍能博得人們的會心一笑。我們此時(shí)正處在一個(gè)人類昂首邁入浩淼的星辰大海的時(shí)代，推動(dòng)我們向前的便是以電推進(jìn)、光推進(jìn)、核能推進(jìn)等技術(shù)為代表的星際遠(yuǎn)征時(shí)代的槳與帆。上圖為電影《星球大戰(zhàn)》中的Imperator級驅(qū)逐艦，其主發(fā)動(dòng)機(jī)為離子推進(jìn)器。

先驅(qū)的凝望

電推進(jìn)技術(shù)在今天也僅僅算是剛開始擺脫萌芽狀態(tài)逐漸走向?qū)嵱茫鴫粝氲难酃鈪s早早地盯住了她。人類宇宙航行之父康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基留給后人的除了一句“地球是人類的搖籃，但是人類不可能永遠(yuǎn)活在搖籃里。”和一個(gè)火箭推進(jìn)方程之外，還留給我們很多有關(guān)星際遠(yuǎn)征的想法。

1912年，搖籃叔提出了探索臨近恒星的星際遠(yuǎn)航設(shè)想，并將軌道時(shí)間設(shè)定為10到40年。為了達(dá)到遠(yuǎn)航所需的速度，搖籃叔提出了借助電能將微粒加速到極快的速度并向后噴出，以此來獲得使飛船加速的反作用力的方法。也就是說，早在一百多年前，電推進(jìn)的概念便已形成。

要是繼續(xù)再去考據(jù)電推進(jìn)技術(shù)的來源的話，我們會找到一頁發(fā)黃的日記。1906年9月6日，一個(gè)青年在日記本上寫下了自己對高速運(yùn)動(dòng)的電子將會擁有巨大潛力的思考。這個(gè)青年叫戈達(dá)德，那一年他24歲。

11年后，已成為克拉克大學(xué)助理教授的戈達(dá)德博士提交了一份專利申請，那時(shí)他已經(jīng)對電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了一些試驗(yàn)。1920年12月公開的編號為US1363037A的專利成為了大家比較公認(rèn)的最早的電推進(jìn)系統(tǒng)。有關(guān)戈達(dá)德之后的事情，大家或許已經(jīng)很清楚了，他在1926年發(fā)射了人類第一枚液體燃料火箭。跟搖籃叔類似，他也留下了一句話：“昨天的夢想就是今天的希望、明天的現(xiàn)實(shí)！”

前輩的探索

火箭技術(shù)從此突飛猛進(jìn)，并逐漸影響著人們的幻想和戰(zhàn)爭的形態(tài)。不過，本文要和大家一起討論的是電推進(jìn)技術(shù)，在這里不得不將燃燒液體燃料或固體燃料的化學(xué)火箭這一段快進(jìn)過去了。

1960年6月，NASA劉易斯飛行研究中心（LewisResearch Center）的Kaufman教授研制成功了世界上第一臺實(shí)用型電推進(jìn)裝置，并將其命名為離子推進(jìn)器（ionthruster），摘得了電推進(jìn)領(lǐng)域的桂冠。

話說卷福和劉易斯實(shí)驗(yàn)室的Kaufman教授長得很像。

不過，劉易斯飛行研究中心這個(gè)名字現(xiàn)在已經(jīng)找不到了，1999年該研究中心更名為格倫研究中心。后來有人提出抗議，于是名字又改成了劉易斯領(lǐng)域的格倫研究中心（JohnH.Glenn Research Centerat Lewis Field）。

好在平時(shí)大家為了方便，都還是把她叫做格倫研究中心。該中心對改名這件事情有獨(dú)鐘，以前還曾用過“飛行推進(jìn)研究實(shí)驗(yàn)室”和“動(dòng)力裝置研究中心”等名字。

1964年7月20日，兩臺NASA制造的離子推進(jìn)器被裝到了SERT-1號（Space Electric Rocket Test-1空間電火箭實(shí)驗(yàn)1號的縮寫）飛行器上由身材苗條的偵察兵火箭發(fā)射進(jìn)入亞軌道，其中一臺點(diǎn)火失敗，另一臺則成功工作了31分16秒，使得首次在太空啟動(dòng)的美國制造的離子推進(jìn)器的榮譽(yù)也到了劉易斯研究中心手中（要是一直保持這個(gè)名字的話，該研究中心能積累很多項(xiàng)榮譽(yù)?；蛟S是因?yàn)樗麄兊男马?xiàng)目太多，比較任性吧）。

圖為一枚正在發(fā)射升空的偵察兵運(yùn)載火箭。

這種推進(jìn)器被稱作電子轟擊式離子推進(jìn)器（也有人為了紀(jì)念而將其稱為Kaufman式離子推進(jìn)器），屬于靜電式推進(jìn)器的一種。

一個(gè)空心的陰極放電筒向外釋放電子。電子在電磁場的加速下爭先恐后地去轟擊氣體室中的氣體（比如汞蒸氣、銫蒸汽、氪氣、氙氣等），使氣體電離成帶正電的離子。這些離子被電場加速后快速噴出，產(chǎn)生推力。另外，一個(gè)被稱作電子中和槍的裝置在不停地向發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的離子噴流中發(fā)射電子，以便中和正離子流，讓航天器本身不會積累大量電荷。

1970年，SERT-2號飛行器被發(fā)射到1000公里高的極軌道上。上面搭載的以汞離子為工質(zhì)的兩臺離子推進(jìn)器在空間環(huán)境中分別工作了2011小時(shí)和3781小時(shí)，并且總共完成了300次開關(guān)。

美國早期對電推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用以這種離子推進(jìn)器（IonThruster, 簡稱IT）為主。離子推進(jìn)器的比沖可以達(dá)到3000秒，但是它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可靠性不高，僅僅做好推進(jìn)器的配電裝置這一項(xiàng)也足夠難為那個(gè)年代的工程師們了。

另外，汞和銫都需要加熱才能產(chǎn)生足夠濃度的氣體。當(dāng)離子噴出后，這些汞和銫會凝結(jié)并附著在飛行器表面，想想就讓人覺得不適。

以研究磁約束核聚變聞名的蘇聯(lián)庫爾恰托夫原子能研究所在1954年制成世界上第一臺托卡馬克裝置。而在這之前的1953年，他們就啟動(dòng)了一種名為脈沖等離子體推進(jìn)器（PulsedPlasma Thruster, 簡稱PPT）的電推進(jìn)系統(tǒng)的研究。

不出所料，這種電推進(jìn)系統(tǒng)后來被劃歸為電磁式推進(jìn)系統(tǒng)。在這種發(fā)動(dòng)機(jī)的“燃燒室”內(nèi)，電壓高達(dá)3kV，工作時(shí)間在幾十微秒之內(nèi)的電脈沖將推進(jìn)劑燒蝕成等離字體。等離子體在電磁場的加速作用下高速向后噴出，形成推力。推進(jìn)劑通常選用氯化鋇或者聚四氟乙烯（就是我們常見的不粘鍋涂層）。這種發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過調(diào)節(jié)電脈沖的占空比來比較精確地控制推力的大小。

另外，用作推進(jìn)劑的聚四氟乙烯占用體積小，能在高真空度和極低溫的環(huán)境中長期存放，穩(wěn)定可靠。

1965年11月，蘇聯(lián)的金星2號深空探測器裝上了6臺脈沖等離子體推進(jìn)器向金星進(jìn)發(fā)。這是電推進(jìn)技術(shù)首次應(yīng)用在深空探測領(lǐng)域。雖然后來該探測器的通訊設(shè)備失靈，使得探測器掠過金星后改為繞太陽飛行，但是足以證明電推進(jìn)技術(shù)是可以擔(dān)當(dāng)重任的。

此后10年，蘇聯(lián)做了一些地面試驗(yàn)和一次空間試驗(yàn)，用來分析脈沖等離子體的噴流對航天器通訊系統(tǒng)的干擾，明顯是對逝去的金星2號念念不忘。再后來，莫斯科航空學(xué)院繼續(xù)對這種推進(jìn)器進(jìn)行研究，開發(fā)出了一系列用于空間精確定向的小型發(fā)動(dòng)機(jī)。

美國也在開發(fā)自己的脈沖等離子體推進(jìn)器（PPT），并且比蘇聯(lián)還要執(zhí)著。1968年，美國將PPT用在了通訊衛(wèi)星的位置保持系統(tǒng)上。后來在整個(gè)70年代和80年代，PPT成了美國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星的老朋友。

不僅子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星的后兩顆星上用了PPT，就連子午儀衛(wèi)星的升級版——諾娃系列衛(wèi)星上也全都采用了PPT來補(bǔ)償阻力對衛(wèi)星軌道的干擾。

上世紀(jì)70年代，美國為了讓PPT的應(yīng)用范圍更大些，花了大量人力物力來努力增大PPT的總沖?？上н@項(xiàng)為期10年的項(xiàng)目終于因?yàn)闆]法讓電容器的壽命符合要求而作罷，也是蠻拼的。

還有一種電推進(jìn)的形式是用電阻或者電弧來加熱工質(zhì)。工質(zhì)受熱膨脹后經(jīng)噴管噴出，產(chǎn)生推力。這種電推進(jìn)的技術(shù)含量比較低，也就不細(xì)說了。其實(shí)我們?nèi)粘Ｉ钪幸材芤姷竭@種推進(jìn)器，比如正在放氣的電高壓鍋。不過，值得一提的是，電熱式推進(jìn)器成本低廉，并且其工質(zhì)幾乎可以是航天器上能找到的可以煮的任何材料，其中當(dāng)然包括生活垃圾、循環(huán)利用之后的宇航員的糞便、尿液的殘余物之類的。我們就掩鼻路過算了吧。

至此，我們對靜電式、電磁式和電熱式三大類電推進(jìn)系統(tǒng)有了一個(gè)初步的了解。其中，靜電式推進(jìn)器我們以電子轟擊式推進(jìn)器為例，電磁式推進(jìn)器我們以脈沖等離子推進(jìn)器為例。但是，還有一種推進(jìn)器，她也屬于靜電式推進(jìn)器，但又與電子轟擊式推進(jìn)器不同。她便是已經(jīng)引起很多人關(guān)注的霍爾推進(jìn)器。

霍爾推進(jìn)

1879年，美國物理學(xué)家霍爾于在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體垂直于磁場和電流方向的兩個(gè)端面之間會出現(xiàn)電壓。這個(gè)電壓叫做霍爾電壓。這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)涉及了電場力與磁場力，是庫倫與洛倫茲之間的一場角力，當(dāng)然也是國內(nèi)高中物理習(xí)題中的?？?，是美國物理學(xué)家對人類的一大貢獻(xiàn)。

然而，霍爾推進(jìn)器是蘇聯(lián)人發(fā)明的。

1962年，蘇聯(lián)科學(xué)家莫羅佐夫提出了靜態(tài)等離子推進(jìn)器（StationaryPlasma Thruster，簡稱SPT）的概念。推進(jìn)劑氣體一部分通過陽極進(jìn)入環(huán)形放電室，一部分進(jìn)入空心陰極。在推進(jìn)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）?？招年帢O是一個(gè)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(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)的電子束。這個(gè)電子束便是霍爾電流的來源。霍爾電流在磁場中產(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(jìn)劑激烈碰撞并使推進(jìn)劑電離。在電磁場的作用下，推進(jìn)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。

另有一種TAL推進(jìn)器，是帶陽極層的靜態(tài)等離子推進(jìn)器（SPT），是另一種霍爾推進(jìn)器，也是蘇聯(lián)人提出來的。但人們對她的研究遠(yuǎn)不如SPT那樣多。因此，從這里開始，霍爾推進(jìn)器（HL）也就是指的靜態(tài)等離子推進(jìn)器（SPT）。

SPT的放電電壓是PPT的十分之一左右，因此其可靠性可以做得比PPT更高一些。上圖為蘇聯(lián)SPT推進(jìn)器系列。

在上世紀(jì)70年代，PPT已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)工作幾千個(gè)小時(shí)并維持40%左右的工作效率。

1971年，霍爾推進(jìn)器進(jìn)行首次太空實(shí)驗(yàn)。在蘇聯(lián)的“流星”衛(wèi)星上，400W的霍爾推進(jìn)器讓衛(wèi)星的軌道高度提升了16.5公里?；魻柾七M(jìn)器的結(jié)構(gòu)簡單（雖然其工作原理說起來比較拗口），可靠性高，比沖大（可達(dá)3000秒以上）并且能夠與航天器的其他系統(tǒng)和平相處，于是大受歡迎。

蘇聯(lián)在流星、熒光屏和地平線等衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用著霍爾推進(jìn)器，并快速形成了以SPT命名的發(fā)動(dòng)機(jī)系列。

美國在上世紀(jì)80年代也對霍爾推進(jìn)器進(jìn)行了大量研究，但是其性能卻始終難以達(dá)到蘇聯(lián)霍爾推進(jìn)器的水平。不過，一個(gè)重大的事件讓蘇聯(lián)神秘又先進(jìn)的霍爾推進(jìn)器走向了世界。

1991年底，蘇聯(lián)解體。這一事件發(fā)生后不到100天，4臺SPT-70霍爾推進(jìn)器便出現(xiàn)在了NASA的實(shí)驗(yàn)室中。不過大家不要過早驚訝，如果這時(shí)候我們?nèi)ASA的JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）看一眼的話，還會發(fā)現(xiàn)一臺SPT-100霍爾推進(jìn)器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。SPT-100是蘇聯(lián)解體前準(zhǔn)備為其地球同步軌道衛(wèi)星裝備的大功率霍爾推進(jìn)器（功率是SPT-70的2倍，總沖是SPT-70的3倍）。

1992年，美國、俄羅斯和法國聯(lián)合成立了國際空間技術(shù)公司。SPT-100霍爾推進(jìn)器成了國際明星。1993年，法國與俄羅斯法克爾(Fakel)設(shè)計(jì)局聯(lián)合成立了科研團(tuán)隊(duì)，并在法國和俄羅斯的共同專利下生產(chǎn)了PPS-1350霍爾推進(jìn)器。（提到俄羅斯法克爾設(shè)計(jì)局，很多人會立刻想到鼎鼎大名的S-300和S-400等防空導(dǎo)彈，實(shí)際上該設(shè)計(jì)局對空間電推進(jìn)技術(shù)的研究也是非常厲害的。）

2001年，一枚阿麗亞娜-5號火箭將法國通訊衛(wèi)星STENTOR送入軌道。該衛(wèi)星上面安裝了兩臺SPT-100和兩臺PPS-1350共4臺霍爾推進(jìn)器。

再往后，我們大家熟知的SMART-1就登場了。2003年9月27日歐空局ESA第一個(gè)月球探測器SMART-1發(fā)射升空。歐空局對該探測器的介紹讓更多人了解了霍爾推進(jìn)器。當(dāng)我們知道該推進(jìn)器的型號是PPS-1350G的時(shí)候，也就能大概知道這背后的淵源了。

2015年2月19日（正月初一），中國霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了18000小時(shí)的壽命突破。美國東部時(shí)間2015年3月1日晚10點(diǎn)50分，波音公司研制的兩顆全電動(dòng)商用衛(wèi)星搭載SpaceX公司的獵鷹九號火箭發(fā)射。2015年3月6日，NASA的“黎明”號探測器成功進(jìn)入谷神星軌道。這些事件涵蓋了地面試驗(yàn)、地球同步軌道衛(wèi)星和深空探測三個(gè)領(lǐng)域，但它們都與航天飛行器的電推進(jìn)技術(shù)有關(guān)。星際遠(yuǎn)征的時(shí)代，離我們已經(jīng)很近了。

小火箭將在下一篇文章中用幾個(gè)軌道計(jì)算的算例，詳細(xì)比較化學(xué)火箭與離子火箭之間的區(qū)別，感謝大家的支持和鼓勵(lì)！