百年前，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基（蘇聯科學家，被尊稱為“航天之父”）提出電推進的設想。2022年11月，中國載人空間站一期工程建設完成，空間站核心艙尾部除了常規配備的化學推進系統外，還配備了霍爾電推進系統，這標誌著人類首次在載人航天領域應用電推進系統。
使用氪氣、氙氣(均為惰性氣體)點火的霍爾推力器
（圖源：《知識就是力量》雜誌）
在太空中
“掂掂斤兩”
遨遊太空，也有兩種選擇
航天器遨遊在太空中，會在微弱的阻力和地球、月球、太陽等引力的作用下逐漸偏離既定軌道，想要在太空中執行軌道和姿態的變化，就需要空間推進系統提供相應的推力。不同於飛機、汽車、輪船上需要混合空氣的發動機，空間推進系統只需利用其自身攜帶的推進劑，就可以將不同形式的能量轉換為動能。
雙環巢狀霍爾推力器點火
（圖源：《知識就是力量》雜誌）
目前，航天器採用的空間推進系統技術主要分為兩類：化學推進和電推進。化學推進需要推進劑在燃燒室中進行化學反應，產生高溫、高壓燃氣，向後噴出，產生推力，我們經常在電視上見到火箭發射場景，其尾部噴出的“爆炸性”的火光和氣流便是點燃推進劑後產生的現象；電推進則是利用電能對推進劑（或推進劑燃燒後的產物）加熱或電離，使其加速、向後噴出，產生推力。
空間站核心艙霍爾電推進系統組成示意圖
（圖源：《知識就是力量》雜誌）
為航天器減重
質量流量，指單位時間內流經一橫斷面的流體質量數量。由相應公式可得出：推力=推進劑噴出的質量流量×噴出速度。因此，在推力一定的情況下，推進劑噴出的速度越快，其質量流量就越小，而質量流量越小，推進劑消耗的速度就越慢。
航天器在發射時會攜帶大量推進劑，甚至遠遠超出其核心繫統的質量，在“太空加油”技術不能廣泛應用的當下，推進劑的儲備量直接關係著絕大多數航天器的使用壽命。電推進的推進劑噴出速度通常比化學推進高，就像汽車可以“百公里油耗更低”，面對同樣的任務目標，電推進可以消耗更少的推進劑。
例如，1顆質量5噸的地球同步軌道衛星，將其化學推進換成電推進，有效載荷（直接實現航天器特定任務的儀器、裝置、人員、試驗生物及試件等）不變的情況下，攜帶推進劑的質量能減少多達2.5～3噸；總質量不變的情況下，有效載荷可以翻倍增加，執行更多工。
眾多電推進技術中，霍爾電推進系統因綜合性能優異，成為目前應用最廣泛、推力器應用數量最多的電推進技術。
於粒子碰撞
間向前
與霍爾效應“手牽手”
霍爾效應是美國物理學家A·H·霍爾於1879年發現的一種電磁效應，即：當電流以垂直於磁場的方向透過磁場時，其帶電粒子的運動會在磁場中因力的作用（該力簡稱為洛倫茲力）而偏向一邊，因此產生電勢差即電壓，帶電粒子的受力方向可用左手定則進行判斷。
（圖源：《知識就是力量》雜誌）
霍爾電推進系統的核心——霍爾推力器，全名“霍爾效應推力器”，主要由霍爾加速器和空心陰極兩大部分組成。
霍爾加速器
主要有放電室、內外磁線圈、陽極等結構。放電室一般為環形空間，可為推進劑流動、電離和加速提供通道。磁線圈以“大圈套小圈、外圈套內圈”的方式組合，在放電室通道口構成沿通道半徑方向分佈的強磁場。陽極同為環形，可產生軸向電場（存在於電荷或變化磁場周圍空間裡的一種特殊物質，可對置於其中的電荷施加作用力），其上有許多均勻分佈的細小孔洞或縫隙，可均勻地分配推進劑。
（圖源：《知識就是力量》雜誌）
陽極使用的推進劑是一些中性的粒子流（因推進劑種類不同，這些中性的粒子可能為原子，也可能為分子，為方便敘述，下文均以原子為例），輸送到推力器時一般為氣態。
空心陰極
同時承擔著點火和中和的功能，重要程度猶如心臟。啟動時，空心陰極開始向外發射電子，部分電子被霍爾加速器內通著正電的陽極吸引，飛向放電室。但它們通常還未飛到陽極，就先被放電室出口處的強磁場“抓住”，因為它們與磁場方向垂直相交，受洛倫茲力的作用，它們開始沿著放電室的通道環面“轉圈圈”，這就是霍爾漂移。大量電子在通道內漂移運動，形成了霍爾電流。
霍爾推力器工作原理圖
（圖源：《知識就是力量》雜誌）
當然，這些電子不會一直停留在放電室出口處，其漂移會因撞擊原子、壁面等而被打斷，最終飛向陽極，形成空心陰極到陽極間的電流回路。
與等離子體“肩並肩”
電子“轉圈圈”的同時，陽極向外噴出原子，這些原子撞上做漂移運動的電子，被電離（原子外層電子在碰撞下脫離原子核的引力束縛，成為自由電子，原子本身則變為帶正電荷的離子）。軸向電場對這些離子施加作用力，使它們加速、噴出，產生推力。而空心陰極發射的電子中，未被陽極吸引的那部分電子會“撞”上這些噴出的離子，二者再次“中和”為中性的原子。
就這樣，霍爾推力器同時向外噴出離子、電子、原子，形成了等離子體（由大量粒子組成的、整體上保持電中性的物質狀態）羽流。因其電離、加速、中和等過程在宏觀上都是穩定進行的，因此它又被稱作“穩態等離子體推力器”。
可能大家會問，為什麼電離產生的離子會噴出去，而不是像電子一樣被“抓住”呢？這是因為離子的質量遠大於電子（如氙離子的質量約是其電子質量的24萬倍）。加速器中的磁場被精心設計，擁有合適的強度和形狀，最強處被放置在放電室出口部分，主要用來約束電子，而對離子幾乎不起作用，因此離子可以順利“飛”出放電室。
推動龐然大物的
“小身板”
理論上，霍爾推力器能產生非常大的推力，但目前航天器能夠提供的電功率有限，所以它們的推力被限制在了毫牛量級。不過，航天器在太空中受到的阻力極小，毫牛量級的推力也能幫助航天器完成大範圍軌道轉移等任務。
霍爾推力器實物圖及其地面點火狀態
（圖源：《知識就是力量》雜誌）
中國空間站執行在距地面約400千米的高空軌道之上，飛行速度高達7.7千米/秒。在各種力的影響下，空間站的速度會不斷減慢，軌道高度也不斷下降，因此，空間站需要不斷透過自身動力補償大氣阻力，維持正常的飛行速度和軌道高度。
霍爾電推進系統推進劑消耗慢、工作壽命長、能力強，能以毫末之力“細水長流”。經過綜合考量，科研人員決定為空間站核心艙配置4臺霍爾推力器，它們兩兩一對，對稱安裝在核心艙尾部兩側，推力為80毫牛，採用氙氣推進劑。
2021年4月29日，核心艙隨長征五號乙運載火箭發射入軌，9月，完成首次霍爾電推進系統在軌點火執行測試。該系統在國際多項技術上開創先河，霍爾推力器採用拔插的安裝方式，還在隨艙攜帶的2個小氣瓶之外，預留了2個大氣瓶的安裝介面，航天員可以根據需要對其進行維護、升級和補充推進劑氣瓶。
近年，國內外霍爾電推進系統的科研與應用創新不斷，推力量級不斷提升，推進劑種類增多，還實現了1臺推力器巢狀兩個及以上放電室，在小尺寸的前提下擁有更大功率、更大推力和更寬調節。載人月球探測、在軌服務、太空資源開採和利用、小行星防禦等典型航天任務，都對霍爾電推進系統提出了明確需求，它正持續進步，推動著我們更好地探索浩瀚宇宙。
撰文 | 杭觀榮、金廣明
責任編輯 | 牛一名、段陽陽
運營編輯 | 段陽陽
質量稽核 | 業蕾
❖ 文章來源：《知識就是力量》雜誌
《推動空間站的“耐力小勇士” 霍爾電推進系統》 ❖
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