我國被人說成第一的霍爾推進器,實際和人家還有幾條街的差距

上個月中旬,有報道稱我國首款20KW大功率霍爾推進器(推力器)研發成功,實現了推力從毫牛級向牛級的跨越。

我國被人說成第一的霍爾推進器,實際和人家還有幾條街的差距

我國20千瓦大功率霍爾推力器點火

我國被人說成第一的霍爾推進器,實際和人家還有幾條街的差距

部分霍爾推力器產品

這是一件令人高興的事,但是有些媒體卻把這項還在追趕的技術吹成了天下無敵,特別是某些跨界瞎寫的大V號,其造成的影響非常惡劣。

實際上霍爾推力器是等離子體推力器的一種,也是我們常常聽到的所謂“電推”,其原理是先將氣態工質電離,並在強電場作用下將離子加速噴出,通過反作用力推動衛星進行姿態調整或者軌道轉移任務。離子推力器的特點是推力小、比衝高,廣泛應用於空間推進,如航天器姿態控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等。

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非常具有科幻感的離子推力器

離子推力器和化學推進器對比各有優缺點。化學推進器的推力大,但有效載荷小,效率低,造價高,隨著衛星壽命的增加,維持軌道所需的推進劑越來越多,從而擠佔衛星的有效荷重量。而電推所需的工質少得多(也可以說壽命長得多),效率高,經過長時間的加速之後,可以達到極高的速度。這就和龜兔賽跑一樣,電推的推力雖極小,但是經過常年累月的加速,在深空和星際之間可以達到非常高的速度。

為什麼我國的衛星壽命以前只有5、6年,而美歐俄日的則可以達到十幾年,主要原因就是我們的衛星需要化學推進劑來維持軌道,而他們用“電推”。

離子推力器基本可分為三類:電熱式、電磁式、靜電式。相應的推力器有:

  1. 場效應靜電推力器(FEEP)
  2. 微波電熱推力器(MET)
  3. 電弧加熱推力器(arcjet)
  4. 電阻加熱發動機(resistojet)
  5. 磁等離子體動力學推進器(MPD)
  6. 脈衝等離子體推進器(PPT)
  7. 離子發動機(ion engine)
  8. 霍爾推力器(hall truster)

離子推力器和霍爾推力器的主要區別是:

在離子推力器的加速柵極區域中,只有離子被加速,尾部噴出離子流產生推力。

而霍爾推力器應用霍爾效應,不需要柵極,它在陰陽放電電極之間,電子、離子都能被加速,電子產生霍爾電流,電子霍爾電流和電磁鐵之間存在安培力。霍爾推進器中等離子體受力=電子電場力+電子安培力+離子電場力,因而霍爾推力器的推力更大。

早在1960年代,美國和蘇聯都意識到了霍爾推力器的潛力,兩國分別對此展開了研究。但是不久美國中止了研究,因為他們發現霍爾推力器等離子體中不能抑制的不穩定性,實驗得到的推進效率低,從而轉向離子發動機的研究,並取得了成功。

而蘇聯卻堅持研究霍爾推力器,主要原因則是蘇聯沒有精細柵格的製造能力,而柵格在高加速電壓下壽命影響很大,從而一定程度上決定了發動機的壽命。蘇聯發現等離子體的穩定性不影響推進性能,在1971年成功的進行了深空測試試驗,1994年,俄羅斯第一次將其實用化。

我國被人說成第一的霍爾推進器,實際和人家還有幾條街的差距

霍爾推力器的結構圖

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霍爾推力器的工作原理圖

1997年,離子電推系統在商業衛星上正式使用,1999年首次作為航天器的主推動系統,現在使用電推系統的航天器已超過200顆。

2003年5月,日本發射隼鳥小行星探測器,採用4臺(1臺備用)10cm微波電子迴旋諧振放電離子發動機作為主推進,2005年9月到達絲川行星環繞軌道 ,僅消耗了22Kg氙推進劑(共攜帶65Kg),11月成功降落星體並完成採樣。12月1日離開,但是由於化學推力器失效,只能依靠電推返回地球,雖然比預定時間晚了3年回到地球,卻顯示出了離子推進器的優異性能。

而我國則在上世紀70年代中期就開始了電推的研製:

  • 1986年完成了直徑8cm的汞離子推力器工程樣機,推力5mN,比衝2650s,功耗158W。
  • 1992年研究成直徑9cm的氙離子推力器性能樣機,推力10mN,比衝2980s,功耗332W。

這一時期則因蘇聯解體,科技情報外洩,1991年起西方重新開始了霍爾推進器的研究。2001年,美國NASA-457M霍爾推力器功率50KW,推力接近3N。而美國最大推力的X3霍爾推力器的功率更是達到了

102kw,推力5.4N.

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X3 霍爾推力器

與美國雄厚的積累不同,我國在霍爾推力器研究上的底子薄,資金少,任務重,目前取得了牛(N)級推力器的成功,雖然是可喜可賀的事,但是與美俄歐日相比還有不小的差距,希望自媒體們能正確認識我們的位置,不要為了流量而誤導了讀者。


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