霍尔推进器其实不新鲜

司古

5月份升空的X-37B任务没有再裹上厚重面纱，此次美国直接宣布，X-37B的主要使命是在空间对新型霍尔推进器进行测试。一时间关于霍尔推进器的关注度激增，其实这种推进器虽然可称为新概念推进器，但其实算不得新鲜。

霍尔推进器得名于1879年美国物理学家霍尔发现的霍尔效应，它是一种通过电场来加速推进介质的离子推进器。霍尔推进器先通过磁场捕捉并加速电子，然后用它们使推进剂离子化，并利用电场加速离子来产生推力，最后在尾焰里对离子进行中和。通过这种方式，霍尔推进器可以把离子加速到每秒10～18千米喷出，许多型号的离子喷射速度可达15～30千米/秒，比冲高达1 500～3 000秒。霍尔推进器使用的推进剂并不唯一，但最为常用的是氙气，其他推进剂则包括氪、氩、铋、碘、镁等。

美国和苏联很早就意识到了霍尔推进器的潜力，自上世纪60年代起，两国分别对此展开了研究。但美国后来中止了研究，而苏联则率先开发出实用型SPT和DAS两个系列产品。1971年12月发射的苏联探测器上，就装上了SPT-50霍尔推进器，主要用于稳定卫星姿态。自那时起直到上世纪90年代末，苏联/俄罗斯航天器上总计使用过近200个霍尔推进器，其中一些仍在工作，据说从未发生过故障。第一代SPT推进器中，SPT-50和SPT-60推力分别为20和30微牛。1982年推出的SPT-70和SPT-100推力分别为40和83微牛。俄罗斯时代，一批功率更大的霍尔推进器相继投入使用。

苏联解体后的1992年，美国从俄罗斯获得了霍尔推进器，此后美国和欧洲一些航天器也开始应用。鉴于这种推进器的高可靠性和简单结构，美国、法国、意大利、日本等国都加大了研究力度。2003年欧空局发射的“智慧”1号（SMART-1）月球探测器就安装了霍尔推进器，这是霍尔推进器首次进入月球轨道。2010年8月美国发射的军用先进极高频通信卫星上采用的Aerojet BPT-4000型霍尔推进器，是第一种安装在实用太空设备上的美制霍尔推进器。BPT-4000额定功率4.5千瓦，算是进入太空的霍尔推进器中功率最大的，除了帮航天器调整姿态，BPT-4000还能让它们提高轨道。

其实高中物理知识就能讲清楚霍尔推进器的基本原理。它的核心就是一个利用高压电极构建的轴向电场和一个利用线圈构建的内辐射状磁场。当电子流从外环的负极和内环的正极流动时，就会受到强大的内辐射状磁场作用，在内环以圆周运动方式高速“狂奔”。此时就该推进剂登场了，它必须拥有两个特点，首先是体重要够格，也就是原子量要够大，其次是比较容易离子化。科学家们选用最多的是氙气。他们把氙气释放机构安装在正极附近。当中性的氙气被释放后，氙原子与环道里高速疯跑的电子会频繁“撞车”，被撞飞电子成为正离子。带正电的氙离子马上也在电场的作用下加速，达到15千米/秒以上的速度，比冲达到1 500秒以上，这比固体和液体火箭发动机数百秒的比冲可强大多了。

霍尔推进器产生的推力根据其功率水平有所差异，1.35千瓦级的大约能产生83微牛推力，实验室里大功率霍尔推进器曾产生过3牛顿的推力。2009年时，霍尔推进器的喷射速度最高已接近50千米/秒，效率可达45%～60%，推力40～600微牛。虽然推力非常小，但在太空微重力和微阻力环境下，这种推进器依然可以缓慢改变航天器的姿态，而且寿命较长，特别适合高价值太空战略资源。目前霍尔推进器大多用来调整卫星轨道和姿态，如果发展顺利，能做出超高能的霍尔推进器，在宇宙里对飞船实施长期缓慢加速，也许它真能成为新一代无人飞船的主发动机。

责任编辑：武瑾媛