霍尔推进器哪个国家最先进(霍尔推进器原理图解大全)

被全网吹爆的中国霍尔推进器推力大小仅为0.08牛顿,与土星五号相比,霍尔推进器只能推动一张纸。那么霍尔推进器为什么会受到人类的追捧和喜爱呢?这其中到底有什么用处?

我国的霍尔推进器只有推动一张纸的推力,为何却代表星辰大海?

推进器的起源

推进器的起源来自于希腊著名科学家阿基米德发明的一款螺旋式抽水机,抽水机是一款利用螺杆来运输水灌溉农田的装置。

随着时代的发展,人类科技在进步,推进器的用途越来越广泛,例如驱动器里的螺旋桨,利用螺旋桨与水面或者空气取得反作用力向前推,以此获得力向前进。

我国的霍尔推进器只有推动一张纸的推力,为何却代表星辰大海?

冷战时期,美国和苏联开始研究制造霍尔推进器,苏联领先美国取得研究成果,当时苏联研究出两种霍尔推进器,分别是:SPT和TAL。这两种推进器的性能不同,区别在于一个是离子体,另一个是阳极层。

到十九世纪七十年代,苏联研究的霍尔推进器已经进入测试阶段,科学家将霍尔推进器安装在卫星上,在测试过程中霍尔推进器显示出极大的优势。

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它在运作时不用携带大量的燃料,减少重量的同时也节省成本。从那时起,霍尔推进器成为科技发展中不可或缺的研究任务。

中国直到九十年代末才开始研究霍尔推进器,虽然我国研究的比较晚,但科学家们日以继夜的努力,成功实现从毫牛级霍尔推进器到牛级霍尔推进器的跨越。

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霍尔推进器的工作原理

我国的天宫空间站能够在外太空长时间运行,霍尔推进器占主要功劳。天宫空间站体积达到60吨重,是霍尔推进器推力的的千万倍,它是怎么做到推动天宫空间站工作的呢?

先看牛顿第三定律,当把物体向后推时,人就会受力向前运动。比如说人走路必须脚沾地才能向前移动,其实是脚用力蹬地才能产生的力,如果把人吊起来,任其怎么使劲都是走不动的,这就是牛顿第三定律的原理,同时也是火箭发射的原理。

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火箭发动机需要燃烧大量化学推进剂来获取推力,当这些推剂被燃烧的同时,火箭自身也在消耗从而减轻重量,燃烧得越多越快,火箭升空的速度就越快。

1879年,物理学家霍尔在研究中发现,电流垂直从外磁场通过半导体时会产生电势差,在电流垂直于磁场时会产生附加电场,后来人们把这个效应称为“霍尔效应”。

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有了霍尔效应为基础,科学家将能产生霍尔效应的装置加上能发射电子的电子源,借此形成环状的电子束,然后再向霍尔推进器里输入少量的氙气,环状电子束中的电子会使氙气发生电离现象,氙离子会磁场的作用下向后喷出,产生推力,从而得到霍尔推进器的工作原理。

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霍尔推进器的推力只有0.08牛顿,勉强推动一张纸,这种情况是因为地球存在阻力,但是太空中根本没有阻力,当霍尔推进器进入太空之后,它发挥出自己的推力,使一个体积数百吨的空间站动起来,甚至可以帮助空间站的对接更方便快捷。

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霍尔推进器的优势

土星五号作为探索太空的先驱,它的一级火箭重达2300吨,其中大部分为燃料,并且168秒就燃烧殆尽。按秒来计算,火箭每秒燃烧13吨,这个数据实在太惊人。

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为了将火箭尽快送到太空之中,科学家考虑到燃料燃烧的速度,如何让燃料燃烧得更久一些呢?

首先得解决火箭的比冲问题。火箭的燃料利用率越高,比冲越高,效率也越高,火箭就能飞得更快更久。

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科学家研究出增加火箭比冲的几种方法:

  • 第一种是使用密度较高的氢氧燃料

化学发动机最厉害的是氢氧发动机,日本H2一级火箭是氢氧机,比冲达到446S,中国YF-77火箭比冲达到430S。

  • 第二种方式是改变火箭机的循环模式

起初科学家采取挤压循环,方法简单但是没有显著效果,比冲依旧很低。后来改用燃气发生器循环也不可行,再到闭式循环、分级燃烧循环,科学家努力的升级火箭机的比冲,只不过效果都达不到理想范围。

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  • 第三种方式是提高排气速度。

火箭最高的排气速度在3-4千米/秒,科学家曾采用更换燃料,改变循环来提高火箭的排气速度,收效甚微。

于是科学家研究一番发现加速电场后,电子与质子能使排气速度达到每秒数十千米或者数百千米之快。

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霍尔推进器正是依靠了这个方法,它的喷气速度可达到每秒10-80/千米,比冲在1000-8000S之间。不过更优质的霍尔推进器喷气能达到每秒15-30/千米,比冲在1500-3000s之间,速度惊人。

中国航天科技集团801所自主研制的LHT-100型霍尔推进器是天和号核心舱使用的主推进器,比冲达到3000S,堪称是推进器中的佼佼者。

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并且,霍尔推进器不仅比冲高,体积与平常火箭相比小很多。十分方便运用在小卫星的探测上,并且人类可以利用它向太空发射货物帮助建立火星基地。

除此之外,霍尔推进器最大的特点就是省燃料,少量的燃料就能使它达到很快的速度,与平常火箭机对比,只需十分之一的燃料,而且它不需要氧化剂助燃,只需要氙气就能够运行。

我国的霍尔推进器只有推动一张纸的推力,为何却代表星辰大海?

并且霍尔推进器还能解决一个令科学家苦恼的难题。在太空中补充燃料是非常困难的,平常的火箭机只能当做一次性物品来使用,可火箭机的造价又非常昂贵,一来二去非常的浪费。

然而霍尔推进器却很大程度上改善了这种浪费的情况,可以说是非常适合探索太空的推进器。

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结语

与其他推进器相比,霍尔推进器的优点实在太多,结构简单,工作效率高,不容易出故障,已经成为航天飞行器首选推进装置之一。

可以说有了霍尔推进器,人类探索太空将不再困难,解决了之前许多无法攻克的难题,也因此它代表的是星辰大海,人类的太空梦想。

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