美國X-37B秘密試驗的霍爾推進器是怎樣的發動機

小火箭出品

本文作者：邢強博士

原文標題： 美國X-37B秘密試驗的霍爾推進器是怎樣的發動機

2017年5月7日，執行第4次任務的美國X-37B空天飛行器在完成718天的在軌飛行後，返回肯尼迪航天中心。作為美國空軍的軌道試驗飛行器，X-37B的多次任務均未公布細節。這幾次飛行，帶來什麼載荷上去，又進行了哪些試驗，往往不為人知。而這次X-37B的飛行任務，從美國軍方無意間透露的信息來看，可以確認上面搭載了霍爾推進器。那麼，霍爾推進器是怎樣的一種設備？作為電推進系統中的一員，霍爾推進器與傳統的化學火箭推進器之間又有什麼區別呢？未來人類將會用霍爾推進器執行怎樣的任務呢？

1879年，美國物理學家霍爾於在實驗中發現，當電流垂直於外磁場通過導體時，在導體垂直於磁場和電流方向的兩個端面之間會出現電壓。這個電壓叫做霍爾電壓。這一現象便是霍爾效應。

霍爾效應涉及了電場力與磁場力，是庫倫與洛倫茲之間的一場角力，當然也是國內高中物理習題中的常客，是美國物理學家對人類的一大貢獻。

然而，霍爾推進器是蘇聯人發明的。

1962年，蘇聯科學家莫羅佐夫提出了靜態等離子推進器（StationaryPlasma Thruster，簡稱SPT）的概念。推進劑氣體一部分通過陽極進入環形放電室，一部分進入空心陰極。在推進器內部，有一對互相垂直的電場和磁場（電場沿軸向方向，磁場沿徑向方向）。空心陰極是一個維持穩定放電的電子源。其產生的電子在徑向磁場的洛倫茲力的作用下，形成了一個做圓周運動的電子束。這個電子束便是霍爾電流的來源。霍爾電流在磁場中產生霍爾效應。

在軸向電場的相互作用下,歡騰的電子與推進劑激烈碰撞並使推進劑電離。在電磁場的作用下，推進器內部的離子產生軸向加速度，並最終高速噴出，形成推力。

另有一種TAL推進器，是帶陽極層的靜態等離子推進器（SPT），是另一種霍爾推進器，也是蘇聯人提出來的。但人們對她的研究遠不如SPT那樣多。因此，從這裡開始，霍爾推進器（HL）也就是指的靜態等離子推進器（SPT）。

SPT的放電電壓是PPT的十分之一左右，因此其可靠性可以做得比PPT更高一些。上圖為蘇聯SPT推進器系列。

在上世紀70年代，PPT已經能夠實現連續工作幾千個小時並維持40%左右的工作效率。

1971年，霍爾推進器進行首次太空實驗。在蘇聯的「流星」衛星上，400W的霍爾推進器讓衛星的軌道高度提升了16.5公里。霍爾推進器的結構簡單（雖然其工作原理說起來比較拗口），可靠性高，比沖大（可達3000秒以上）並且能夠與航天器的其他系統和平相處，於是大受歡迎。

蘇聯在流星、熒光屏和地平線等衛星上廣泛應用著霍爾推進器，並快速形成了以SPT命名的發動機系列。

美國在上世紀80年代也對霍爾推進器進行了大量研究，但是其性能卻始終難以達到蘇聯霍爾推進器的水平。不過，一個重大的事件讓蘇聯神秘又先進的霍爾推進器走向了世界。

1991年底，蘇聯解體。這一事件發生後不到100天，4台SPT-70霍爾推進器便出現在了NASA的實驗室中。不過大家不要過早驚訝，如果這時候我們去NASA的JPL（噴氣推進實驗室）看一眼的話，還會發現一台SPT-100霍爾推進器的實驗樣機。SPT-100是蘇聯解體前準備為其地球同步軌道衛星裝備的大功率霍爾推進器（功率是SPT-70的2倍，總沖是SPT-70的3倍）。

1992年，美國、俄羅斯和法國聯合成立了國際空間技術公司。SPT-100霍爾推進器成了國際明星。1993年，法國與俄羅斯法克爾(Fakel)設計局聯合成立了科研團隊，並在法國和俄羅斯的共同專利下生產了PPS-1350霍爾推進器。（提到俄羅斯法克爾設計局，很多人會立刻想到鼎鼎大名的S-300和S-400等防空導彈，實際上該設計局對空間電推進技術的研究也是非常厲害的。）

2001年，一枚阿麗亞娜-5號火箭將法國通訊衛星STENTOR送入軌道。該衛星上面安裝了兩台SPT-100和兩台PPS-1350共4台霍爾推進器。

再往後，我們大家熟知的SMART-1就登場了。2003年9月27日歐空局ESA第一個月球探測器SMART-1發射升空。歐空局對該探測器的介紹讓更多人了解了霍爾推進器。當我們知道該推進器的型號是PPS-1350G的時候，也就能大概知道這背後的淵源了。

2015年2月19日（正月初一），中國霍爾電推進系統實現了18000小時的壽命突破。美國東部時間2015年3月1日晚10點50分，波音公司研製的兩顆全電動商用衛星搭載SpaceX公司的獵鷹九號火箭發射。2015年3月6日，NASA的「黎明」號探測器成功進入穀神星軌道。這些事件涵蓋了地面試驗、地球同步軌道衛星和深空探測三個領域，但它們都與航天飛行器的電推進技術有關。星際遠征的時代，離我們已經很近了。

在本文，小火箭要回答三個問題：

第一，電推進（包括離子推進、霍爾推進）目前的實際應用狀況如何？

第二，電推進相對於化學火箭推進來說，優勢在哪裡？

第三，能否腦洞大開一下，展望或者計算一下未來的電推進飛船？

1.全電衛星與星際遠征

當離子推進器的工質採用氙後，就成了氙離子推進器（XIPS），該推進器與穩態等離子推進器（SPT）（屬於霍爾推進器的一種）一起，成為目前和可預見的將來使用得最為廣泛的電推進系統。

2006年發射的TacSat-2衛星、2010年發射的美國軍用通訊衛星USA-214和美國軍用小衛星USA-221、2012年發射的美國國家偵察局用衛星USA-235等衛星都使用了霍爾推進器。上圖為TacSat-2衛星示意圖。

4台BHT-200並聯之後的樣子。

4台BHT-200並聯工作的樣子。

2001年至2006年期間發射的以休斯公司的「HS-601HP」平台為基礎的PAS-10、Astra 2C、DirectTV 4S、亞洲4號、Galaxy 13、MEASAT 3等衛星和深空1號探測器、黎明號探測器以及2015年3月初發射的波音702SP（世界上首款全電推進衛星）則採用了氙離子推進器。上圖為波音702SP全電衛星。

於是，有人說電推進技術將會立刻替代化學推進技術成為衛星和深空探測器的主要動力。但是也有人認為電推進技術尚處在萌芽階段，尤其是推力太小，尚不能馬上全面替代化學推進技術。

的確，無論是霍爾推進器還是氙離子推進器，它們的推力都實在是太小了。

以深空1號為例，她上面搭載的離子推進器功率為2.3kW，其峰值推力約為92mN。無論是發動機功率還是推力，深空1號的離子推進器都已經算是同類推進器中較大的了。一張80g的A4紙的質量約為4.99g。這張紙在咱們地球上所受的重力約為48.9mN。也就是說，深空1號深空探測器的離子推進器火力全開的時候，其推力也不足以托起兩張A4紙。

但是，就是這樣纖弱的力量，卻能夠在近地軌道衛星和遠程星際探索中使離子推進器和霍爾推進器勝過了火力威猛的化學推進器。

我們不再去比較化學推進器和電推進器在比沖方面的差別，這樣的比較會出現在大量的文獻中，而結論也無非是：雙組元化學推進系統的比沖一般在300s左右，而波音702SP全電衛星上的XIPS-25電推進系統的比沖已經達到了3800s以上，因此電推進系統比化學推進系統優越很多。這樣的評價顯得有些抽象。

在這裡，我們比較的是二者的噴氣速度。並祭出先驅齊奧爾科夫斯基（搖籃叔）的大殺器：齊式火箭方程來給化學推進和電推進二者做個了斷。

「天下武功，唯快不破」，李小龍的這句名言道出了火箭推進系統的真諦（好像火雲邪神也說過來著）。

從搖籃叔的火箭方程中，我們可以看到，影響火箭最終速度（或者說速度增量）的因素有兩個：一個是發動機的噴氣速度，另一個是火箭發射質量與扣除燃料後的干質量的比值。

如果一個火箭擁有很快的噴氣速度，那麼就會給火箭帶來很大的優勢。

優勢一：在同樣的速度增量的要求下，較大的噴氣速度意味著較小的發射質量與干質量的比值。對於帶有同樣載荷的衛星來說，其發射質量會大幅減小。

按照目前的價格來算，僅發射費用就可以省下將近6000萬美元。另外，2噸級的衛星質量使得能夠發射波音702SP衛星的火箭種類變得更多，使該星有更好的議價能力，還能讓很多衛星以「一箭雙星」的形式來發射。

對於要在軌道上長期服役的衛星來說，電推進的優勢就更明顯了。一顆重4.8噸的以化學火箭來維持軌道高度的壽命達15年的衛星，其燃料儲箱中帶的燃料重達3噸。有效載荷的質量差不多只有燃料質量的一半。如果將這顆衛星升級為電推進衛星的話，只需不到200kg的氙就能完成同樣的使命。上圖為BHT-1500離子推進器。

不過，電推進系統的推進器的推力太小了，這讓衛星的入軌過程變得相當漫長。這就對衛星的壽命和抗輻射能力提出了不小的挑戰。弄不好，衛星可能最終贏得了軌道卻輸給了歲月。

以下是小火箭對分別採用化學推進和電推進的兩顆衛星進行變軌的軌道設計（要注意，電推進衛星的軌道不是小火箭故意設計成這個樣子的，實在是因為推力太小，只要滿滿磨蹭上去了。）

大推力變軌：簡單粗暴時間快，適合化學火箭使用。

中推力變軌，比較文藝。

小推力變軌，電推進系統進行變軌的樣子，好文藝。

優勢二：電推進系統即使在目前這個萌芽狀態下，也已經能夠賦予深空探測器以極快的速度，並且這樣的速度是化學推進器難以企及的。

這個優勢用文字描述的話，終會顯得枯燥。不妨讓化學推進和電推進各選出一個代表來進行一場星際賽跑。畢竟一切不用數據來說明問題的討論都是不太好的嘛。

2.一場星際賽跑

小火箭不妨用發射質量達到了輕巡洋艦級別的土星5號火箭上面的F1液氧煤油發動機與總重不到500kg的深空1號來一場星際賽跑。（有關土星5號火箭，詳見小火箭的公號文章《土星5號：最高最重推力最大的火箭》，有關F1液氧煤油發動機，詳見小火箭的公號文章《F-1:史上最強的單燃燒室液體火箭發動機》）

一台F1液氧煤油發動機的推力為6909kN（大約能舉起705噸的重物，相當於54輛加長型公交車），比太空梭的3台主發動機的推力加起來還要大（約為太空梭主發動機推力的3.8倍）。

這個大傢伙1秒鐘就要燒掉約2.66噸燃料。在阿波羅計劃中，F1發動機的工作時間約為159s，燃氣噴流的速度約為2596m/s。單台F1發動機需要燃料423.099噸。

小火箭按照火箭燃料占火箭總質量的85%這一指標來設計一枚參賽用的火箭，則火箭的發射質量為497.3235噸，其中F1發動機本身的燃盡質量為9.15噸，火箭殼體和有效載荷的總質量為65.5145噸。

深空1號探測器的離子推進器的推力約92mN，連兩張疊在一起的A4紙都吹不起來。

該推進器要用5天零19個小時的時間才能用去1kg燃料。深空1號的發射質量為486.3kg，其中燃料只有81.5kg（約佔16.8%）。

不過，深空1號上的推進器有一個指標非常耀眼：噴流的速度為43000m/s（是F1發動機的16.6倍，約為真空中光速的1.4萬分之一）。

比賽一開始彷彿沒有什麼懸念，F1發動機力量強，加速快，10s後，她的速度已經達到了142.6m/s（時速513.4公里）。

而深空1號探測器並不著急，此時她的速度為1.88mm/s，得仔細看才能確信她在動。

159s後，F1發動機以飛出274.6公里，並且將最終速度鎖定在4.925km/s。此時，深空1號飛出了2.374米，速度2.98cm/s，比小螞蟻爬行的速度還要慢。

或許有人會認為這時應該結束比賽並宣布化學火箭F1完勝了。畢竟，274.6公里與2.374米的差距還是蠻大的，如果他們都是從北京市中心上空出發的話，F1已經到了大河北省的衡水市，而深空1號剛剛從床上爬起來走向衛生間。

不過，星際賽跑拼的是最終速度，而不是短距離的衝刺速度。

從159s之後，F1的速度就不再增加，而深空1號則鍥而不捨地做著加速運動。

15個小時過去了，深空1號來到了F1發動機達到她的最大速度的地方（衡水），時速為36.5公里。那些曾經笑話她比蝸牛還慢的人，此時騎著自行車也很難追上她了。

不過，她離F1還是越來越遠。抬頭望去，F1在25.45萬公里處。

1天後，深空1號走了700多公里，時速為57.6公里。

3天後，深空1號的時速超過了175公里，並且走了6300公里遠。

6個月過去了，深空1號的速度達到了3km/s，距離F1還有5千萬公里。

10個月後，奇蹟出現了。深空1號的速度居然超過了F1，達到了5.1km/s。

14個多月後，深空1號的燃料終於燃燒殆盡，她達到了她的最終速度：7.89km/s。

18個多月後，深空1號趕上並超過了F1。這時，她們已經飛了2.23億公里。深空1號在F1進入木星軌道之前超過了她，並且將會一直保持著領先的優勢。

這場史詩級的賽跑最終以電推進的勝利而告終。但是，深空1號這個選手其實並沒有為贏得比賽而進行特殊改裝。

為了充分表現電推進系統在星際遠征時代能夠達到多大的最終速度，我們給她加註了足夠的燃料，像填滿化學火箭那樣，讓其燃料質量占發射質量的85%。那麼，電推進系統能使探測器擁有的最終速度為81.58km/s！這個速度足夠讓探測器飛出太陽系，飛向浩淼的星辰大海。

當然，我們也不能盲目樂觀。以這個速度在太陽系內進行短途旅行還是可以接受的，但是想要進行太陽系外的星際遠征，還是有些慢。以目前的電推進系統為動力的星際飛船，到達離咱們最近的恆星半人馬座α星C需要3677年，實在是有些太漫長了。因此，星際遠征的時代只能說是近了，而不能說是到了。

3.腦洞大開：

能否用電推進系統讓飛船從地面進入地球軌道

電推進系統能不能在大氣層內高效運作呢？想要告別化學火箭，用電推進系統來讓航天器入軌可行么？星際遠征的飛船能不能就這麼從地面起飛然後直接奔向遠方呢？既然科幻電影裡面大多是這麼演的，咱們也就不得不這麼算一算咯。

目前推力很大很大的電推進系統中有個叫NEXT的。她是NASA的得意之作，她的功率達到了6.9kW，是深空1號和黎明號上用的離子推進器的3倍。她的效率能夠達到70%。以她為動力的探測器能夠將4噸重的載荷送到土星軌道上。

而她的推力有多大呢？答案是：0.236N。也就是說，在地球上，兩台NEXT離子發動機的推力加起來能夠勉強舉起一隻個頭兒比較小的雞蛋。

單台電推進系統的推力較小，咱們把她們捆綁起來一起啟動會怎樣呢？10台不夠的話，綁個百萬台怎樣？

然而，仔細計算後，小火箭發現：捆綁是解決不了問題的。

NEXT的質量與功率比是4.8，也就是說1kW的功率對應4.8kg的發動機質量。這個值在電推進系統中算是比較小的了，上一代的離子推進器的質量功率比普遍在6左右。如此看來，電推進發動機連自己的外殼都抬不動，捆綁再多也是無濟於事的。目前看來只能寄希望於人們把質量功率比做得越來越小，當電推進系統至少能把自己推起來的時候，事情就好辦一些了。

不過，我們可不想就這麼坐等那一天的到來，還是折騰一番才能對得起這大開的腦洞吧。

按照目前離子推進器（其實霍爾推進器也差不多）的功率與推力的比例關係，我們極大地變大推進器的尺寸，然後將其安裝到一艘100噸重的星際飛船上。

那麼，我們需要飛船的動力系統能夠提供給推進器的電功率至少為28653兆瓦才能使飛船飛離地面，需要約115000兆瓦以上的電功率才能讓飛船以現今化學火箭的加速度發射。

這樣的電功率是什麼概念呢？2009年8月14日，長江迎來了一個汛期洪峰。當天，三峽水電站首次實現投產後的滿負荷發電，發出的功率為1820萬千瓦，也就是18200兆瓦。要想讓100噸重的星際飛船進入近地軌道的話，需要這艘飛船的電功率頂得上6.3個三峽水電站。

但是就算這樣的超級發電裝置已經能夠裝到飛船上，電推進系統在地面起飛階段仍然還是比較困難的。這個困難不僅來自於技術本身，還來自於對發射成本的考慮。無論是離子推進還是霍爾推進，都需要以高速噴出的離子為工質。

氙以其易電離、離子重和對飛行器比較友好等特點成為了電推進系統中的優質工質，而且目前尚難被其他工質替代（即使用氙的近親氪來代替，效率也會驟降15%左右）。

但是，氙實在是太稀少了，在地球大氣層中的含量只有1150萬分之一。提取1升的氙氣需要消耗220度電。

在起飛階段，為了產生大推力，需要將工質以很大的質量流量噴出去。按照目前的電推進系統的技術水平，噴流速度能夠達到43000m/s，那麼為了把星際飛船發到近地軌道，每秒鐘至少要消耗91.16kg的氙。要知道，81kg的氙就足夠讓一個半噸重的探測器去探測彗星了。

因此，即使今後電推進技術得到了極大發展，出現了十萬兆瓦級的電推進器或者推力為數萬牛的霍爾推進器，也不會用這樣的推進器來把星際飛船從地面發射到近地軌道，因為這實在是過於暴殄天物了。當然，如果人類科技那時候已經發達到能夠在木星大氣層中提取氙氣的時候則另當別論。

那還是考慮一下其他方案吧。大功率、小體積、又得帶一點一去不回頭的悲壯感覺，這不是明擺著讓我們用核動力么！咱可說好了，不是小火箭非要用核動力，而是電推進實在是沒辦法了。

早在上世紀50年代，處於冷戰中的美國就推出了HTRE-1到HTRE-3等多種核動力飛行器推進設備。把這些改裝一下用在星際飛船再合適不過了。

那麼，如果核動力與電推進能夠結合起來的話，這將成為人類遠征深空的不二選擇。

小火箭認為，一種比較可行的方案是這樣的：用核能發電，在起飛階段，將液態氫噴到核發電系統的熱交換器上，並高速噴出，產生強大的推力，將飛船推向近地軌道。在太空環境中，採用氙為工質，用離子推進或者霍爾推進的方式，讓飛船持續加速，直到達到令人滿意的星際航行速度。

由於電能是必須的，起飛階段的氫推進系統不會給整個飛船增加多少重量。另外，如果這艘飛船飛往火星的話，這樣的配置就更好了。飛船的核能發電系統將在火星上繼續發揮作用。我們要多帶一些液態氫，因為火星大氣中的二氧化碳的濃度很高，而氫氣和水蒸氣則很少。飛船攜帶的氫元素將幫助我們建設有自持能力的基地。有氫、有碳、有氧、有電，我們別無他求。不過，在處理液氫的過程中要千萬小心，詳見小火箭的公號文章《液態氫，一匹桀驁不馴的野馬》。

核動力與電推進的結合能使飛船在大推力小比沖和小推力大比沖的兩個工作狀態之間自由切換。由於不必像化學火箭那樣造成多級的，小火箭設想的單級入軌星際遠征飛船會呈薄餅飛碟狀，以便在起飛和降落階段利用空氣動力的作用。

讓電推進系統的力量更大一些吧！

讓星際遠征的時代來得更快一些吧！

讓氙和電以及勇氣的力量，

不僅為我們驅散黑暗，

也推動我們勇往直前！

版權聲明：

本文已由邢強博士獨家授權小火箭刊發，禁止非授權轉載，歡迎朋友圈轉發。

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