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霍爾推進器,這種外觀極具科幻色彩的航天器推進器,其實并不是最新的航天科技產(chǎn)物,它出現(xiàn)的時間要比你想的早很多,是前蘇聯(lián)于1971年發(fā)明的,并且一出現(xiàn)就被正式應(yīng)用在了衛(wèi)星上,作為軌道穩(wěn)定器來使用。
這么早的東西,為什么感覺是近些年才出現(xiàn)在我們的視野中呢?因為前蘇聯(lián)發(fā)明的這種推進器一開始并沒有引起世界的廣泛關(guān)注,直到1990年,西方國家才普遍開始了霍爾推進器的研究,并將其應(yīng)用在航天器之上。霍爾推進器不僅在出現(xiàn)的時間上沒有那么“科幻”,其核心技術(shù)原理也不像它的外觀那樣富有科幻色彩。
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霍爾推進器的內(nèi)部構(gòu)造其實很簡單,它由兩個一側(cè)封閉、一側(cè)開口的同心圓柱組成,在兩個圓柱的中間是一個放電通道,用于向后噴射離子。
構(gòu)造簡單,原理自然也不復(fù)雜,在霍爾推進器的中心圓柱和周圍圓環(huán)里安裝有電磁鐵,這些磁鐵會產(chǎn)生出相互垂直的磁場,當電子被從陰極釋放出來之后,會在磁場的約束之下圍繞圓環(huán)高速運動,形成一片密集的電子云。之后,推進劑從底部發(fā)出,在與電子云發(fā)生碰撞之后,便會形成離子并加速噴出。
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離子在噴出的過程中會與電子發(fā)生中和,形成電中和的廢氣,這些噴出的廢氣就會反向推動航天器向前運動。
原理就是如此簡單,雖然霍爾推進器噴出的只是離子,產(chǎn)生的推力很小,但在近乎于真空環(huán)境的太空中完全夠用了。由于霍爾推進器是通過噴射離子產(chǎn)生推力,所以也常被叫做離子推進器,不過能夠為航天器提供推力的離子推進器并不止霍爾推進器這一種,還有一種出現(xiàn)更早的柵格離子推進器。
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前面提到西方國家是在1990年才開始把注意力放在霍爾推進器上的,一部分原因是他們一直在研究另一種推進器,即柵格離子推進器。柵格離子推進器誕生于1960年,發(fā)明者是物理學家哈羅德考夫曼。
從結(jié)構(gòu)上來看,柵格離子推進器與霍爾推進器最大的區(qū)別就在于前者的末端擁有柵格,而且是兩層。這兩層?xùn)鸥裼惺裁醋饔媚兀窟@就要從它的原理說起了。柵格離子推進器使用的推進劑是汞,當汞被釋放到推進器的腔室之中,會與電子槍發(fā)射出來的電子發(fā)生碰撞,被撞碎后成為等離子體。
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碰撞過后,電子會繼續(xù)留在腔室中參與接下來的碰撞,而等離子體則會向末端的柵格移動。
之所以等離子體會向柵格移動,是因為柵格是帶電的,而且兩層?xùn)鸥駧щ娛遣煌摹T趦蓪硬煌膸щ姈鸥裰g會形成電場,當離子進入到兩層?xùn)鸥裰g,就會在強大電場的驅(qū)動下迅速從外層?xùn)鸥駠姵鲞M入宇宙之中。在外層?xùn)鸥竦耐饷孢€有一個電子槍,會噴射出電子,來與噴出的離子發(fā)生中和,進而產(chǎn)生電中和廢氣,推動航天器前進。
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霍爾推進器與柵格離子推進器的一個最主要區(qū)別在于,霍爾推進器噴出的離子是自發(fā)與電子產(chǎn)生中和的,所以廢氣量較大,但速度較慢,也就是比沖小。
這意味著霍爾推進器適合在近地范圍內(nèi)應(yīng)用,因為其比沖小,用電量就少。反觀柵格離子推進器,雖然噴射速度快,但同時也需要更多的能量,所以就要為航天器安裝更大的太陽能板、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更大的體型,遠距離星際航行還可以,在近地區(qū)域飛行就有些浪費了。所以兩種推進器并沒有優(yōu)劣之分,只是適用場景不同。
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