霍尔发动机只能提供0.6牛的动力,为什么能推动空间站?
无论是轨控发动机还是姿态控制发动机,都是传统的火箭发动机。 它们将燃料和氧化剂混合,猛烈燃烧,然后高速喷射气流来发电。 除了火箭发动机之外,还有一种电力推进发动机,它们的能源不是化学能,而是电能。电力推进发动机有几种类型,目前更流行的一种是霍尔推进器。 这种推进器通常使用氢气、氙气和氩气作为推进剂,但这些推进剂不会燃烧以产生动力。
通过霍尔效应,推进剂被电子撞击转化为离子态。 然后这些离子被电场加速,然后中和羽流中的离子,最终可以将喷出的气体加速到 10 公里/秒以上。 最快的甚至可以达到80公里/秒。 相比之下,火箭发动机产生的气流通常只有 2 到 4 公里/秒。可以看出,与单位质量推进剂产生的冲量,即比冲量相比,霍尔推进器远高于火箭发动机。 比冲越大发动机性能越强,工作效率越高。 霍尔电动推进器的效率高达45%~70%。
火箭发动机虽然能产生巨大的推力,但需要携带大量的推进剂,所以很大一部分动力用于推进推进剂本身。 在典型的化学火箭中,推进剂通常占重量的 80% 以上。 但由于霍尔推进器效率高,携带的推进剂少,能够长时间工作,可以起到维持空间站高度的作用,可以节省大量的化学燃料。 说到这里,你可能会好奇,四个霍尔推进器的总推力只有 0.32 N,怎么能推动一个重达 50 吨的空间站。
如果是在地面上,那么小的推力根本不可能推开这么重的物体。 但在太空中,基本没有空气阻力,空间站处于失重状态。 只要推力大于0,空间站的加速度就可以大于0。虽然加速度很小,但经过长时间的连续加速,可以积累相当大的速度提升。 估计天河核心舱内的四个霍尔推进器持续运行一天,可为空间站产生约0.7m/s的速度增量。不要小看这么小的推力,霍尔推进器的优点是可以长时间持续工作,只需要消耗太阳能转化的电能和一些推进剂,就可以将空间站的化学推进剂消耗降低一个数量级。