美国封锁逼出了国产霍尔发动机中国空间站凭实力领先国际空间站

  你知道中国空间站用什么推进剂吗？天舟二号给空间站加注燃料，加注的是什么呢？霍尔电推进发动机需要燃料吗？美国早就有霍尔电推进技术，为啥说中国凭实力领先呢？

  老朋友们都知道，东城观星一向追求客观讲述中国技术，不吹不黑。霍尔电推进技术用在空间站这样的大型航天器上，中国开创了世界先河。但是霍尔电推进技术本身，俄罗斯、美国和欧空局都是掌握的，而且说他们比中国技术先进也不算夸张，从名字也能看出来这项技术根本不是中国发明的（当然这里的霍尔效应跟中国的霍尔果斯没有具体联系）。那中国的技术牛在哪里呢？为啥说是美国封锁逼出了国产霍尔电推进技术呢？

  电推进技术并不是什么新事物，早在1906年就有科学家提出了设想，并进行了相关试验。而且，电推进技术有几十种不同的技术方案，从原理上可大致分为电热式、静电式和电磁式三大类。其中早期以电热式为主，后来静电式成为了主流，美苏都把重点放到了静电式。但是，美苏的路线并不一样，美国选择了离子电推进，苏联选择了霍尔电推进。

  苏联在20世纪50年代，就开始了霍尔电推进的相关研究，在这样的领域进行了大量的试验，并在1976年把这项技术应用到卫星上进行了验证。相对来说，美国的离子电推进技术技术难度比较高，进展缓慢。

  苏联解体后，美国在跟俄罗斯进行技术交流的过程中，发现霍尔电推进技术更简单和实用。于是在1992年跟俄罗斯签订了技术引进的协议，并成立了公司在西方国家推广霍尔电推进发动机。至此，霍尔电推进技术成为了世界主流的电推进技术。

  同样是上世纪九十年代，上海推进技术研究所也计划开展电推进技术的相关研究。但是由于缺乏科研经费，没有很好的方法像美国那样直接从俄罗斯购买电推进技术。好在，中国跟俄罗斯的关系还算不错，国内的科研团队通过跟莫斯科航空学院进行技术交流，接触到了俄罗斯的霍尔电推进技术。

  1999年是中国发展电推进技术的关键年份，这一年也正是美国推出《考克斯报告》的那一年，也就是中美航天合作基本终止的那一年。在这一年，中国学者利用到莫斯科航空学院进行技术交流的机会，从俄罗斯带回了一些有关的资料和教学样机。

  结合自己的研发基础，和俄国的一些技术资料，上海推进技术研究所选定霍尔电推进技术作为国内电推进的主攻方向，并不断加大投入。到2012年，国产霍尔电推进在 “实践9号”卫星上进行了飞行试验。2015年，80mN霍尔推进器的空心阴极长寿命试验率先突破18000小时，累计点火15000次的地面试验，满足在轨工作15年的寿命设计的基本要求，达到了国际先进水平。

  到2017年，我国已经准备发射搭载基于东方红五号平台的实践十八号通讯卫星了，这样的平台应用上了功率5kW，推力200mN的电推进器。虽然因为长征五号遥二的原因，这次发射失败了，但并不是卫星的动力有问题。到了2019年，长征五号遥三终于把第一个东方红五号平台卫星实践20号送入了轨道。至此，我国慢慢的开始在太空应用大功率霍尔推进器了。地面试验还有更大的进步，已完成了20kW，推力1牛，也就是1000mN的霍尔推进器。

  说到这里，很多朋友可能会很困惑，这个推力大概是个什么水平啊。1牛的大概相当于二两的推力，能推起两个鸡蛋。长征五号的液氧煤油发动机推力是120吨，火箭总推力1000多吨。这么大推力才把天和号核心舱发射上去，一个2两推力的发动机能干啥？其实，天和号核心舱应用的霍尔推进器推力连二两都不到，网传使用的是四台LHT-100霍尔推进器，每台推力80mN，也就是8g的推力，相当于只能推起来一个冬枣的力量。平时只有两台一起工作，也就是两个冬枣的推力。

  这个推力确实很小，但是在空间站轨道上，失重的状态下，这个力量也可以有所作为的。我们在上一个空间站视频中讲到，人类在空间站小便都能把自己给喷走。在地面上推起两个冬枣的推力，是可以推动重达几十吨的空间站的，虽然推得很慢，但跟没有推还是有很大区别的。同时，这个小推力，对于调整空间站的轨道来说，反而比大推力发动机更精准。如果将来北斗导航卫星，也应用这种精细控制轨道的动力的话，导航精度还能进一步提高。

  当然，这个霍尔推进器最大的优势应该是比冲高。很多朋友可能对比冲这个概念不是很感冒，不知道高比冲有啥好处。好处很大。我这里打个比方，你大概就能理解了。如果站在冰面上很滑的地方，往前面扔一个子弹，随着子弹的扔出，我们的身体会向相反的方向滑动，而且扔的力气越大，滑得越远。如果用狙击步枪来打出这个子弹呢？那个后坐的力量应该能把身体推出非常远吧。

  同样一个子弹，往外扔的力量越大，扔出去的速度越快，给自己产生的后坐力也越大，反弹的距离也就越远。火箭发射，实际上也是不断往外扔东西的过程，只不过它扔的是火，更准确来说是喷出的气体或等离子体。喷出的东西速度越快，给自己产生的反向推力就越大。其实，影响推力的除了喷出的速度以外，还有喷出东西的多少。就好像刚才在冰面上扔东西一样，如果扔的不是子弹，而是铅球，一样的速度，显然铅球带来的后坐力更大。

  换句话说，在推力不变的情况下，往外喷出的东西速度越快，需要喷出的东西就越轻。如果火箭只能装一定量的燃料，那喷出的气体速度越快，火箭发射的距离就越远。发动机的比冲，就是用来表征这个喷出气体速度的物理量，比冲越大，喷出的气体速度越快。前面我们讲过多次火箭发动机，提到固体火箭发动机推力比液体发动机还大，但比冲却很小。

  同样多的燃料，固体火箭只能烧更短的时间，也就是更费燃料。因此，一个固体火箭很难把卫星发射上天，必须好几个固体火箭接力才行，所以印度的PSLV火箭是四级火箭，需要四个火箭接力才能完成发射。而我国的长征五号火箭是一级半火箭，在助推器的帮助下，只需要一级火箭就把空间站给送上去了。关键就是火箭芯级使用了目前比冲最大的化学燃料，液氢液氧。除了长征五号乙，世界上其他所有火箭至少都是两级火箭。

  固体火箭的比冲只有200多秒，即使液氢液氧发动机比冲也不过400多秒，还不到500秒。但是霍尔电推动器，比冲少则500秒以上，多则8000秒以上，东方红五号使用的霍尔电推动器LIPS-300，比冲能够达到3500-4000s。换用霍尔电推动，所用的推进剂是化学发动机的十分之一到二十分之一。这对需要长期工作的卫星和空间站来说，是非常有利的。卫星可以大幅度延长常规使用的寿命，空间站可以大幅度减少推进剂的补加次数。

  这样你就理解小推力霍尔电推进的好处了吧。但是，我个人比较困惑的是，我国的空间站为什么放着更先进的LIPS-300推进器不用，而要用LHT-100推进器呢。前者推力是后者的两倍还多，比冲也是后者的两倍以上。公开文献数据，LHT-100的比冲大概只有1600s，虽然比液氢液氧强多了，但跟LIPS-300的3500s还是差很多的。希望是网传错误，实际使用的是LIPS-300，或者LHT-100经过改进比冲已经提高了吧。

  唯一让我相信LHT-100值得使用的优势就是，经过地面测试，它的常规使用的寿命非常长，满足空间站15年的有效期毫无问题。也就是说，我国空间站15年内不用更换动力了。

  接下来说说我国的空间站使用什么燃料，天舟一号给空间站补加的燃料到底是什么。因为大量的新闻媒体报道并没有透漏这个信息，我们只可以从其他线索来了解这个。通过查阅大量的资料，我基本确定，中国的空间站使用的燃料很可能是偏二甲肼和四氧化二氮。因为国内最成熟的轨控发动机和姿控发动机都是使用这个燃料，神舟飞船也是使用这个燃料，国际空间站也一样。而且使用这个燃料有很多的好处。

  按照前面提到的比冲理论，空间站用液氢液氧发动机、液氧煤油发动机和液氧甲烷发动机都比偏二甲肼发动机要好。但是这些发动机有一个共同的缺点，就是推进剂需要低温或高压保存，经常使用容易挥发。比冲高的目的是为了省燃料，但如果燃料自己挥发，那就不太理想了。尤其是液氢液氧，特别容易挥发，我们看地面发射火箭时，临到最后发射的那一刻，才停止燃料的补加，大量气体在存放的过程中都挥发掉了。

  对于火箭这种几分钟就达成目标的航天器来说，容易挥发也是可控的。但对于空间站这种常年在天上待着，随时需要燃料的航天器来说，容易挥发的燃料显然不是个好选择。所以国际空间站也好、阿波罗飞船也好、火星探测飞船也好，往往都是使用偏二甲肼做燃料，而不是其他。不过事情也不是绝对的，美国马斯克的火星探测飞船星舰就准备用液氧甲烷推进剂，因为将来可以到火星上补充燃料，偏二甲肼在火星上是找不到的。

  偏二甲肼做燃料的第二个好处是，它只要跟氧化剂四氧化二氮混合在一起就可以自动点燃，无需给发动机另外配个点火器。除了它以外，其他所有燃料都是需要点火器的。对需要连续使用十多年的空间站来说，发动机的稳定性和可靠性是很重要的。目前来说偏二甲肼做燃料的发动机稳定性是所有发动机里最好的，不容易出故障。我国的载人航天专用火箭长征2F十二次发射从没出过任何事故，跟发动机稳定可靠有很大的关系，它的发动机燃料就是偏二甲肼和四氧化二氮。但是这种燃料是有毒的，使用的过程中要格外小心。

  很多人认为，有了霍尔电推进，还用化学发动机干什么啊？不费燃料吗？其实普通发动机和霍尔电推进是互补的。霍尔电推进虽好，但推力太小，不利于快速变轨处理突发情况。比如，假如发现空间站可能会被太空垃圾给撞上，就需要提前改变轨道，及早躲开障碍。这时候，推力几百牛的化学发动机可以轻轻松松实现快速变轨，用电推进变轨就困难太多了。

  另外，天舟飞船和神舟飞船都使用快速对接方案，为了配合它们，空间站必须提前变轨调整姿态才能完成对接，这也需要化学发动机来完成。而平时的轨道维持，用电推进最好了，节省燃料还能够精准调整轨道。

  最后，说一下，霍尔电推进也是需要推进剂的，它的推进剂可不是偏二甲肼。现在应用最广泛最成熟的推进剂是氙气，不是神仙的气，而是马路上汽车使用的氙气大灯的那种氙气，这是一种稀有气体，化学性质稳定，即使在霍尔电推进的过程中被离子化，其腐蚀性也是比较小的，有助于延长推进器的使用寿命。

  其实除了氙气以外，氪气也被研究用来做推进剂，这也是一种稀有气体。美俄更是在研究碘或者铋来做推进剂，这类推进剂据说能让推进器的比冲达到惊人的8000秒。将来的远程探测计划有很大的可能性使用这一类的推进剂。

  中国空间站通过常规发动机和霍尔电推进的结合，实现了最优的轨道控制技术，明显领先于国际空间站，是未来发展的方向。但，也不能过于骄傲，美俄等国的霍尔电推进技术，从正在使用的推进器到正在研发的推进器都是领先中国的，各类航天器中的使用经验也比中国多，只是没有在空间站上应用而已。所以，既不要妄自菲薄，也不该盲目自大。