2020年1月16日,我国成功发射了名为“快舟·富强福号”的运载火箭,携带10GB带宽的通信卫星。这次的发射有一个关键,就是其携带的卫星所用的推进装置叫“霍尔推进器”,并且是“牛级”霍尔推进器。
霍尔推进器是一种全新的太空动力引擎。传统的火箭推进器是用液氢或液态甲烷混合液氧并点燃,点燃后利用它们产生大量的高速气流,让火箭获得强大的反推力,进而推动火箭。这种传统方式的推进效率实际上不够高。你别看火箭那么大,其实大部分体积是用来装燃料的,而卫星只有火箭头上的很小一部分,用那么大的火箭携带那么小的卫星,推进效率不高。
霍尔推进器的原理完全不同,它用的不是化学能,而是电能,是电动引擎。之所以叫霍尔推进器,是因为用到了“霍尔效应”。霍尔推进器的原理是这样的,它有一个环形的腔室,然后由阴极发射大量的电子到腔室里面,腔室里有一个垂直于圆环的强磁场,由于运动的电子在磁场中会受到洛伦兹力的作用,这可以让电子在圆环里面高速转圈。同时,腔室里面放入惰性气体,譬如氙气。这是因为惰性气体比较稳定,不太容易发生化学反应。刚才获得的高速运动电子不能直接用来推进,因为它们质量太小了,用来做工质时推进效率还是太低。接下来要让高速电子跟氙气原子碰撞,把氙原子的电子给撞出来,这样氙原子就带正电了,变成了氙离子,于是就形成了等离子体。再给这些等离子体加一个强电场,电场就会给氙离子加速,再把高速的氙离子向后推出去,高速氙离子流就会产生推力。
霍尔推进器极有可能是未来星际旅行的必选方案之一,因为它的效率高。霍尔推进器的效率,是传统火箭推进器效率的10倍,能达到50%~70%。由于霍尔推进器的体积小,一个人就能抱得下,不像火箭推进器要有那么大的罐子装载,它几乎可以一直工作下去,因此霍尔推进器是更先进的星际航行引擎。
以人类现有的航天技术,要实现载人火星探索是比较困难的,因为带不了足够燃料,无法把飞行器加到足够快的速度。速度不够快,就没有办法在短时间内到达火星,而如果飞行时间太长,宇航员的危险系数就会很高。现在去一趟火星,要飞一年多,正常人都受不了,传统宇宙飞船,速度最快到时速7万千米就很了不起了。但霍尔推进器的效率高,可以长时间加速,能把宇宙飞船加速到时速80万千米,飞一趟火星只要几个星期的时间。当然,霍尔推进器也不是没有问题,它的问题在于推力比较小,所以加速时间较长。我国的牛级霍尔推进器,它的关键词是“牛级”,也就是单位输出功率下,能达到一牛顿数量级的推力。其他国家的霍尔推进器大多是“毫牛级”,我们国家的霍尔推进器实现了数量级的突破。
以后的航天方案应当是火箭推进器与霍尔推进器一起使用,从地球上起飞进入大气层并摆脱地球引力,估计还要靠火箭,因为要克服巨大的引力和空气阻力。等真正进入太空,没有了阻力,霍尔推进器的超强耐力就体现出来了,也许人类的航天事业就要进入新纪元了。