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1 # 民間分析大師
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2 # 魑魅涅磐
2020年我國深空探測計劃的首個深空探測器”天問一號火星探測器“正式搭乘長征五號遙四運載火箭飛向火星。按照發射計劃,天問一號火星探測器將會持續飛行長達7個月後,與2021年3月中旬併入火星軌道。天問一號的發射不僅是我國探索宇宙的正式開端,更是在為人類未來星際旅行做鋪墊。那麼未來真的火星適合人類長期居住的話,我們人類移民火星是不是也得和電影中一樣,默默度過至少七個月時間,或者前往更遙遠的星球還得進入睡眠模式呢?其實從人類航天技術發展的前景來看,未來或許我們和火星之間的飛行時間可以從現有的210天縮短到40天時間,而這背後就是被譽為未來航天器推進動力的---霍爾推進器。霍爾推進器也就是等離子體推進器,其原理是讓氙或其他氙、氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅這些特殊氣體進入一個有陽極和陰極的空心環體內相互形成一個穩定的放電環,這樣兩個持續放電的環體會在徑向磁場的方向產生洛侖茲力,繼而形成一個有極高速度的電子束,也就是等離子氣體。而等離子氣體在電磁場的作用下會產生軸向加速度,這就是霍爾推進器的推力來源。從霍爾推進器的優點來說,其最大的優點主要有兩個一個是比衝極其高,另外一個也是持續推進時間長達上千小時,比如現在的化學燃料的火箭發動機使用最好的燃料氫氧狀態下,最大比衝不會超過500秒,但是霍爾推進器的比衝根據使用的燃料不同比衝在1000 - 8000秒,比衝大了以後有什麼優勢呢?我們知道影響衛星等航天器最終入軌速度和質量的因素主要有兩個,一個是發動機的比衝,另外一個則是火箭的幹質比,對於火箭而言其為了滿足高軌發射需求,一枚火箭內部往往超過85%以上的重量是燃料,這就賦予了火箭自身一個很不錯的幹質比,那麼如果想法設法再繼續提供火箭的比衝,不久能夠大大提升火箭的發射載荷,以及對於某些星際飛船而言大大縮短其飛行時間了嗎?同時更大的比衝除了能夠提升火箭的發射載荷和縮短飛行時間外,還有一個很大的優勢就是能夠大幅降低火箭的發射成本和延長衛星等航天器的在軌執行壽命。簡單來說比衝就相當於發動機的燃燒效率和升功率,首先燃燒效率提升後意味著發動機只需要噴射出很小的燃料就能達到功率需求,其次升功率提升後意味著單位燃料產生的輸出功率更強,那麼同樣能夠節省燃料,對應到火箭發射成本而言也能極大的降低發射成本。而且對於衛星等航天器而言,燃燒效率提升後,一顆大概5噸重的導航衛星內部有將近3噸多的重量是燃料,而這些燃料也只能維持導航衛星在軌最長執行15年時間,但是如果將發動機換成比衝極高的霍爾推進器的話,由於燃燒效率和升功率的極大提升後,衛星只需要攜帶幾百千克燃料便能實現至少15年以上的在軌執行壽命。同時對人類登陸火星而言,選擇比衝更高的霍爾推進器後,由於其比衝相比現有的化學燃料高几十倍,意味著時間縮短了幾十倍之多。簡單來說的話,比如我們的天問一號火星探測器搭載傳統化學推進器飛往火星需要7個月之久,但是換裝比衝更高的霍爾推進器後整個飛行時間可以縮短到40天時間甚至只要3周時間。可以說霍爾推進器基本就是人類未來星際旅行發展的方向了,但是介於霍爾推進器雖然比衝高、持續推進時間長,但是霍爾推進器現階段的推力忒小了,比如現階段人類研製出推力最大的霍爾推進器最大持續輸出推力只有102KW,也就是5.4N的推力,這樣大的推力有多大呢?連兩張A4紙都吹不動。那麼可不可以捆綁數百臺、數千臺這樣的發動機將火箭從地球表面推向太空來替代傳統的化學火箭發動機呢?如果從理論角度來說雖然霍爾推進器最大持續推力有可能達到100噸的水平,這樣類似長征5號的大型火箭並聯七八套即可實現近地軌道不低於35噸甚至更高的發射載荷。但是從現實角度來說想要實現困難太多了,因為霍爾推進器雖然比衝高,但是其推重比並不高,只有5左右,意味著產生1千瓦推力的霍爾推進器質量就得5千克,那麼實現100噸推力的霍爾推進器自身重量就高達1.8萬噸,這樣的質量下還有必要發射飛船等航天器嗎?但是我們可以腦洞大開的星空想象一下啊,既然霍爾推進器的推力大小和其輸出功率有直接關係,而其輸出功率的高低又和其尺寸有一定關係,那麼我們透過放大尺寸的哦方式是不是可以實現推力100噸的霍爾推進器呢?理論上也是可以的,但是同樣我們知道霍爾推進器也就是一個電子束加速噴射的原理,那麼這麼大推力下又需要多大的電流供應呢?恐怕得好幾萬個三峽大壩滿載輸出功率吧!但是要想實現更大輸出電子束的產生就需要更多的氙等稀有氣體,而氙在地球上的儲量太稀有了,比如產生1升的氙氣需要消耗200度電能,那麼也就代表著如果人類想要實現一艘以霍爾推進器為主發動機的火箭發射升空的話,可能全地球所有的電量產生的氙都不夠吧!
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3 # 奔跑吧爸爸
霍爾推進器(HTs)是一種電推進器,又稱等離子霍爾電流推進器。原理是利用電場和磁場共同作用把電子與推進劑碰撞形成的等離子體加速,然後高速噴出,從而產生推力。
那麼,霍爾推進器能否把火箭從地球送上太空?
霍爾推進器比衝遠大於目前的化學燃料推進技術,只需要很少的特殊物質(氙、氡、氬等氣體)就可達到很高的速度。理論上,霍爾推進器只要電壓足夠大,離子可以無限接近光速,比如對撞機能把粒子加速到光速的99%以上。
但是,想象是美好的,現實是殘酷的。讓我們看看當前的研製水平:
目前全世界霍爾推進器做得最好的是美國NASA的X3霍爾推進器,功率達到了102千瓦,推力達到5.4牛。如果要把一個雞蛋送到月亮,只需要3個小時。我國航天科技集團801所最新研製霍爾推進器功率20千瓦,推力為1牛,和美國效能相當。也就是說限於技術,產生的推力有限。如果要推動20噸的航天器,產生1個g的加速度,需要20萬牛左右!因此,霍爾推力器很難將火箭推離地面,目前只能應用在真空環境的軌道衛星上。
當然了,技術在進步。如果有朝一日解決了電能,使電推進的功率提上去,大推力的霍爾推進器也不是不可能。
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基本不可能,霍爾想要把火箭送上太空,他必須推力克服地球重力。目前來看霍爾的推力能推動一張紙,你覺得他可能推動火箭上臺嗎?
霍爾的特點是可以持續性,在真空沒有阻力的情況下,速度會越來越快,而且不需要小號化學燃料,適合星際旅行。