Question

霍尔推进器，目前人类已知最有可能的太空旅行发动机

Answer 1

人类目前所有的火箭发动机，其基本原理都是往后扔东西，来获得反推力，学过高中物理的，都知道这是牛顿老爷子的第三定律，还有动量守恒，想要获得更大的推力，有两条路，一条是往后扔更多的东西，一条是同样的东西，以更快的速度往后扔，第一条明显不行，所以，所有的火箭发动机，都是围绕着第二条，各种改进。

为了让燃料能以更快的速度朝后喷，那最少得让它燃烧更充分，所以火箭发动机都自带液氧，然后各种燃料都是想办法怎么以更快的速度燃烧，产生更多的气体，但是目前， 燃料喷射速度基本在2-5km/s之间，想再往上升就很难了，因为TNT的爆速也不过7km/s，用炸药当燃料，火箭体得做得很坚固，会造成质量太大。

这5km/s的喷射速度，已经是目前化学燃料的极限了，听起来速度也很高了，但是对于太空飞行来说，这根本不顶用，当年土星五号运载火箭， 起飞重量3038.5吨，有2300吨都是液氧和煤油，一级火箭每秒消耗燃料13吨，总推力达3408吨， 却只能把 45吨的东西运到月球轨道， 近地轨道的 运载能力是118吨，这已经是目前人类顶级了。

想要在太空旅行，那就必须摆脱化学燃料的范围，人类创造出比5km/s更快速度的东西，就是各种高能离子了，经过电场的加速，离子的速度能达到 30km/s，这速度可是相当高了，于是离子发动机出现了，基本原理就是把东西电离了，然后利用电场把离子加速，这东西高二物理讲的很多，上过高中的，应该都懂。

1998年美国深空1号，采用离子发动机，喷口速度30km/s，推力只有90毫牛，工作一整天只喷了100克燃料，给卫星增加了10m/s的速度，好在这东西喷得东西真不多，带不多的燃料，够它喷好长时间的了，太空又没有阻力，慢慢积累起来，这速度也是扛扛的，也可以利用弹弓效应给自己加速。

2019年，日本隼鸟二号探测器在3亿公里外的小行星成功取样，用的就是微波离子发动机，采用微波把燃料电离。

离子发动机原理不难，但是问题还是不少的，不管喷出的是正离子，还是负离子，被加速后的离子终归是从正负极喷出去的，为了不让高速离子撞到正负极上，把正负极做成了格栅状，高速离子从格栅的空隙中飞出去，但总归有打在正负极上的高速离子，使整体效率降低， 正负极得经受高速离子的冲击腐蚀，对材料要求极高。

怎么改进呢，于是就有了霍尔发动机，利用霍尔效应，电流在磁场中流动，正负离子受到洛伦兹力的作用，（也是高二物理讲的，左手定则伙伴们还记得吗），朝两个相反方向运动，于是电离和加速就合二为一了，然后经过各种复杂的设计，喷口成圆环状，也不会再有格栅的阻挡，真的是美滋滋。

易电离的原子都可以作为推进剂。当前主流推进剂是氙，不过这东西太稀有，不好大规模装备。所以就有了如锌、氮、碘、镁、铋等各种推进剂，光谱都不一样，很是好看。

高轨道卫星所处环境，基本上是太空，没有阻力，几乎可以永远地绕着地球飞行，近轨卫星就不行了，受极其稀薄的气体阻力影响，轨道其实是逐渐降低的，比如国际空间站， 每天轨道高度下降约66米，一个月累积起来，高度会下降2公里。所以就得定期启动轨道控制发动机，抬升一下轨道，以防掉回地球，国际空间站为此每年需要燃烧7.5吨的推进剂，需要定期由货运飞船送推进剂上太空，成本达2亿美元。

我们的空间站 天和核心舱上配备了4台霍尔电推进器，虽然它们的推力非常小，只有0.33牛，但持续运行一天，就可以让空间站产生大约0.7米/秒的速度增量，完全可以用来空间站的轨道维持。持续工作，也只耗费一点点燃料，电力来源于巨大的太阳能板，可以认为电力来源是无限的。

2015年SpaceX发射了两颗全电推进的通信卫星，安装了4台XIPS-25离子推进器，推力165毫牛，这点力，我估计连各位放个屁的推力大都没有，但是这俩卫星就靠这点放屁大的推力， 从转移轨道爬到了3.6万公里高的同步轨道。

化学火箭推力大，但一般十几分钟就烧完了，离子推进器则相反，体积不大，力道也很小，但可以持续几个月不间断工作，在太空中累积起来，也是不得了的速度变化，现在轨道定位、控制姿态基本是离子推进的天下了。

目前， 离子发动机喷射速度最快的是VASIMR的300km/s，这是老美的新玩意，名字是可变比冲磁等离子体发动机，就是先把离子加热到100万度，学过物理的都知道，高温下，离子的运动速度本身就是很高的，然后再用电场加速，就能极大提高喷射速度，不过东西太耗电了，在太空中，就靠那几个太阳能板，根本不够用，本身质量也太大。

于是，新思路又出现了， 利用聚变反应产生的高温等离子体，再用电场加速，喷口速度可以达到20000km/s，在这种喷射速度下，只要每秒喷出4克燃料，推力就达到了8万牛，以天宫一号空间站为例，它重约8吨， 这推力能让天宫一号产生1G的加速度，在太空中没有阻力，以这个加速度不停加速下去，到月球只需3.5小时，到太阳系最远的海王星，只需16天，追上已经飞了43年、211亿公里外的旅行者1号，只需24天，而当年的阿波罗号去月球花了3天，旅行者2号去海王星花了12年，因为他们在飞行中是没有动力的，最初的速度都是火箭给的，然后就以这个速度在太空里面飘。

想想是不是很美好啊，但是目前只是理论而已，可控核聚变还没搞定，如果把这个东西搞定，地球上就再也没有能源危机了，太空旅行也即将到来，希望在我有生之年，能看到这一天的到来吧。