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[猎奇]中国霍尔电推进发动机:推力仅0.32牛,如何推动90吨重的空间站 [9P] [复制链接]

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目前,中国空间站的总质量大约可达90吨。对于中国空间站这样的庞然大物,却配备了4台总推力仅为0.32牛的特殊发动机——霍尔电推进发动机。这几台发动机推力虽小,但它们可以维持空间站的轨道运行。那么,这种在地球上只能推动一张纸的微弱推力,究竟是如何推动重达90吨的空间站呢?

中国空间站的第一个模块是天和核心舱,其重约22.5吨。此后核心舱又相继对接了问天和梦天实验舱,两个实验舱分别重约23吨。由此构成的T字结构的中国空间站,其总重约为68.5吨。



现阶段,天和核心舱的前向对接口还接驳着神舟十七号载人飞船,后向对接口接驳着天舟六号货运飞船,前者重约7.8吨,后者重约13.5吨。由此可知,中国空间站目前总重89.8吨,也就是90吨左右。

中国空间站的轨道高度约为390公里,它以每秒7.67公里的速度绕着地球飞行,只要92分钟就能绕行地球一圈。如此重的空间站,绕着地球不断快速飞行的动力来源是什么呢?



有些人可能会认为空间站上配备着火箭发动机,它们不断点火运行,喷出高速气流产生推力,让空间站在太空中保持高速运动。虽然空间站确实配备火箭发动机,以及4台特殊的发动机,但它们并非一直工作。

理论上,已经达到相应轨道速度的空间站,可以一直绕着地球转动,并不需要任何推动力来维持轨道。因为空间站的速度足够快,而地球是个球体,地表是弯曲的,空间站其实可以不断飞越地表,避免撞上地面。这样空间站就会绕着地球转动而不会掉下来,尽管它没有动力。



事实上,无论物体有多重,只要达到相应的轨道速度,就能在地心引力的束缚下,实现无动力绕地球飞行。不过,这里还有个重要的前提是没有空气阻力。

中国空间站运行在距离地表约390公里的太空中,这里并不是空无一物的真空,而是地球大气层的热成层。此处空气密度为地表的千亿分之一,其中主要包含氢、氦、氧等原子。虽然此处空气密度极低,但仍然会对空间站的运动造成不可忽略的影响。



据估计,如果空间站不启动推进系统,那么,每个月的轨道高度将会下降2公里。因此,空间站每隔一段时间就需要启动发动机,以维持轨道高度,这样就要耗费大量的燃料成本。国际空间站为了维持轨道高度,每年需要花费多达2亿美元。

在中国空间站上,配备了26台常规火箭发动机,其中22台是用于空间站的姿态控制,另外4台则是用于轨道控制。每当神舟、天舟飞船将要对接或撤离空间站时,或者空间站有可能遭遇太空碎片撞击时,这些发动机就会启动,用于调整空间站的姿态和轨道高度。



除此之外,中国空间站还配备了4台LT-100霍尔电推进发动机,每台所能产生的推力为80毫牛,四台总推力为320毫牛。相比之下,一枚普通鸡蛋的重量为500毫牛。也就是说,在地球上,这台发动机还无法举起一个鸡蛋,只够推动一张纸。

但事实上,中国空间站的霍尔电推进器已经属于大功率发动机,它们产生的几百毫牛推力其实足以维持空间站的轨道运行。这个秘诀就在于霍尔电推进发动机具有极高的效率。



霍尔电推进发动机利用了霍尔效应,这种效应是指把通电导体置于磁场中,洛伦兹力就会让导体中的电荷发生偏转,从而在导体两侧产生电压差,即霍尔电压。霍尔电推进器的核心部件是离子发生器,其中有离子化的惰性气体,如氩气、氙气。利用霍尔效应产生电场,把离子以每秒10至80公里的速度高速排出,从而产生推力。

相较于化学火箭发动机,这种推进方式不需要燃料的燃烧来产生高温高压气体,而是利用太阳能、磁场和电场来产生高速离子流,所以能够更高效地把能量转换为推力。霍尔电推进器拥有极高的效率,同时也具有很长的工作寿命。



虽然我国空间站霍尔电推进发动机产生的推力是毫牛级别,但只要连续运行一天,根据牛顿第二运动定律:F=ma,其微弱的推力也能让空间站持续产生一个加速度,让空间站获得每秒0.7米的速度增量。通过这4台霍尔电推进发动机,我国空间站的轨道维持可以大幅减少化学燃料的使用。



正所谓“前人栽树,后人乘凉”。早在1970年,“中国航天之父”钱学森就高瞻远瞩地提出,我国要发展电推进技术,并推动相关研究的开展。经过多年的努力,我国相关技术走在了世界前列,才有如今用于中国空间站的霍尔电推进发动机。在未来的航天发展中,霍尔电推进发动机将会更加大放异彩。正是因为钱老,我国一开始就点对了“科技树”。

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