霍尔推进器，目前人类已知最有可能的太空旅行发动机

Question

如题所述

Answer 1

人类目前的火箭发动机，遵循的基本原理是牛顿第三定律，即通过向后抛掷物质来获得反推力。动量守恒定律也支持这一原理。为了提高推力，我们可以选择两种方式：一是增加抛掷物质的质量，二是提高物质向后喷射的速度。由于增加质量并不可行，因此火箭发动机的设计主要集中在提高燃烧效率和喷射速度上。
为了实现更快的燃料喷射，火箭发动机通常携带液态氧气，并采用各种方法促进燃料的充分燃烧，以产生更多气体。然而，受限于化学反应的物理极限，燃料的喷射速度已接近2至5公里/秒，进一步提升难度较大。此外，使用炸药作为燃料会导致火箭体积庞大，质量过大。
尽管5公里/秒的喷射速度在化学燃料发动机中已属极限，但在太空旅行中却远远不够。例如，土星五号火箭虽然具有3408吨的总推力，却仅能将45吨物质送至月球轨道。因此，为了实现太空旅行，我们必须超越化学燃料的局限。
高能离子，如电子，在电场中被加速至30公里/秒的速度，提供了新的推进手段。离子发动机利用这一原理，通过电离物质并利用电场加速离子，实现推进。例如，1998年的深空1号任务就采用了此类发动机，尽管其推力仅为90毫牛，但足以在一天内为卫星增加10米/秒的速度。
然而，离子发动机存在一些问题，如离子撞击电极导致的效率损失和材料耐腐蚀性要求高。为了解决这些问题，霍尔效应推进器应运而生。利用霍尔效应，该推进器实现了电离和加速过程的整合，消除了离子撞击电极的问题，并提高了推进效率。
霍尔效应推进器使用易于电离的元素作为推进剂，如氙气。然而，由于氙气稀有，寻找替代品成为必要。锌、氮、碘、镁和铋等元素均可作为推进剂，且光谱特征不同。
在太空环境中，高轨道卫星几乎不受阻力影响，可以长期运行。而低轨道卫星则需定期启动轨道控制发动机，以对抗微弱的气体阻力带来的轨道下降。例如，国际空间站每年需消耗7.5吨推进剂，以维持轨道。
我国空间站天和核心舱配备了霍尔效应推进器，尽管每台推力仅为0.33牛，但可用于空间站的轨道维持。这些推进器持续工作产生的燃料消耗极小，且电力来源为太阳能板，可视为无限。
2015年，SpaceX发射的全电推进通信卫星，装备了离子推进器，尽管推力极小，却能帮助卫星爬升到同步轨道。离子推进器虽小力弱，但持续工作时间长，对轨道定位和控制姿态有重要作用。
目前，VASIMR推进器拥有最快的离子喷射速度，达到300公里/秒。然而，其需消耗大量电力，且设备体积和质量过大。理论上，利用聚变反应产生的高温等离子体，并通过电场加速，可实现20000公里/秒的喷射速度。这种速度下，即使每秒喷射4克燃料，也能产生8万牛的推力。这将极大改变太空旅行的时间和距离观念。
尽管这一技术目前仍处于理论阶段，但随着可控核聚变技术的突破，未来太空旅行将不再是梦想。希望我们能在有生之年见证这一天的到来。