你知道中國空間站用什麼推進劑嗎？天舟二號給空間站加註燃料，加註的是什麼呢？霍爾電推進發動機需要燃料嗎？美國早就有霍爾電推進技術，為什麼說中國憑實力領先呢？
一、聊聊霍爾電推進技術
1.霍爾電推進並不是只有中國才有
老朋友們都知道，東城觀星一向追求客觀講述中國技術，不吹不黑。霍爾電推進技術用在空間站這樣的大型航天器上，中國開創了世界先河。但是霍爾電推進技術本身，俄羅斯、美國和歐空局都是掌握的，而且說他們比中國技術先進也不算誇張，從名字也能看出來這項技術根本不是中國發明的（當然這裡的霍爾效應跟中國的霍爾果斯沒有具體聯絡）。那中國的技術牛在哪裡呢？為什麼說是美國封鎖逼出了國產霍爾電推進技術呢？
2.美國購買了俄羅斯的電推進技術
電推進技術並不是什麼新事物，早在1906年就有科學家提出了設想，並進行了相關試驗。而且，電推進技術有幾十種不同的技術方案，從原理上可以分為電熱式、靜電式和電磁式三大類。其中早期以電熱式為主，後來靜電式成為了主流，美蘇都把重點放到了靜電式。但是，美蘇的路線並不一樣，美國選擇了離子電推進，蘇聯選擇了霍爾電推進。
蘇聯在20世紀50年代，就開始了霍爾電推進的相關研究，在這個領域進行了大量的試驗，並在1976年把這項技術應用到衛星上進行了驗證。相對來說，美國的離子電推進技術技術難度比較高，進展緩慢。
蘇聯解體後，美國在跟俄羅斯進行技術交流的過程中，發現霍爾電推進技術更加簡單和實用。於是在1992年跟俄羅斯簽訂了技術引進的協議，併成立了公司在西方國家推廣霍爾電推進發動機。至此，霍爾電推進技術成為了世界主流的電推進技術。
同樣是上世紀九十年代，上海推進技術研究所也計劃開展電推進技術的相關研究。但是由於缺乏科研經費，沒有辦法像美國那樣直接從俄羅斯購買電推進技術。好在，中國跟俄羅斯的關係還算不錯，國內的科研團隊透過跟莫斯科航空學院進行技術交流，接觸到了俄羅斯的霍爾電推進技術。
3. 中國的霍爾電推進技術
1999年是中國發展電推進技術的關鍵年份，這一年也正是美國推出《考克斯報告》的那一年，也就是中美航天合作基本終止的那一年。在這一年，中國學者利用到莫斯科航空學院進行技術交流的機會，從俄羅斯帶回了一些相關資料和教學樣機。
結合自己的研發基礎，和俄國的一些技術資料，上海推進技術研究所選定霍爾電推進技術作為國內電推進的主攻方向，並不斷加大投入。到2012年，國產霍爾電推進在 “實踐9號”衛星上進行了飛行試驗。2015年，80mN霍爾推進器的空心陰極長壽命試驗率先突破18000小時，累計點火15000次的地面試驗，滿足在軌工作15年的壽命設計要求，達到了國際先進水平。
4.霍爾電推進發動機推力小的可憐
到2017年，我國已經準備發射搭載基於東方紅五號平臺的實踐十八號通訊衛星了，這個平臺應用上了功率5kW，推力200mN的電推進器。雖然因為長征五號遙二的原因，這次發射失敗了，但並不是衛星的動力有問題。到了2019年，長征五號遙三終於把第一個東方紅五號平臺衛星實踐20號送入了軌道。至此，我國已經開始在太空應用大功率霍爾推進器了。地面試驗還有更大的進步，已經完成了20kW，推力1牛，也就是1000mN的霍爾推進器。
說到這裡，很多朋友可能會很困惑，這個推力大概是個什麼水平啊。1牛的大概相當於二兩的推力，能推起兩個雞蛋。長征五號的液氧煤油發動機推力是120噸，火箭總推力1000多噸。這麼大推力才把天和號核心艙發射上去，一個2兩推力的發動機能幹啥？其實，天和號核心艙應用的霍爾推進器推力連二兩都不到，網傳使用的是四臺LHT-100霍爾推進器，每臺推力80mN，也就是8g的推力，相當於只能推起來一個冬棗的力量。平時只有兩臺一起工作，也就是兩個冬棗的推力。
這個推力確實很小，但是在空間站軌道上，失重的狀態下，這個力量也可以有所作為的。我們在上一個空間站影片中講到，人類在空間站小便都能把自己給噴走。在地面上推起兩個冬棗的推力，是可以推動重達幾十噸的空間站的，雖然推得很慢，但跟沒有推還是有很大區別的。同時，這個小推力，對於調整空間站的軌道來說，反而比大推力發動機更加精準。如果將來北斗導航衛星，也應用這種精細控制軌道的動力的話，導航精度還能進一步提高。
5.高比衝到底有什麼用？為什麼各國都在追求高比衝
當然，這個霍爾推進器最大的優勢應該是比衝高。很多朋友可能對比衝這個概念不是很感冒，不知道高比衝有什麼好處。好處非常大。我這裡打個比方，你大概就能理解了。如果站在冰面上很滑的地方，往前面扔一個子彈，隨著子彈的扔出，我們的身體會向相反的方向滑動，而且扔的力氣越大，滑得越遠。如果用狙擊步槍來打出這個子彈呢？那個後坐的力量應該能把身體推出非常遠吧。
同樣一個子彈，往外扔的力量越大，扔出去的速度越快，給自己產生的後坐力也越大，反彈的距離也就越遠。火箭發射，其實也是不斷往外扔東西的過程，只不過它扔的是火，更準確來說是噴出的氣體或等離子體。噴出的東西速度越快，給自己產生的反向推力就越大。其實，影響推力的除了噴出的速度以外，還有噴出東西的多少。就好像剛才在冰面上扔東西一樣，如果扔的不是子彈，而是鉛球，一樣的速度，顯然鉛球帶來的後坐力更大。
換句話說，在推力不變的情況下，往外噴出的東西速度越快，需要噴出的東西就越輕。如果火箭只能裝一定量的燃料，那噴出的氣體速度越快，火箭發射的距離就越遠。發動機的比衝，就是用來表徵這個噴出氣體速度的物理量，比衝越大，噴出的氣體速度越快。前面我們講過多次火箭發動機，提到固體火箭發動機推力比液體發動機還大，但比衝卻很小。
同樣多的燃料，固體火箭只能燒更短的時間，也就是更費燃料。因此，一個固體火箭很難把衛星發射上天，必須好幾個固體火箭接力才行，所以印度的PSLV火箭是四級火箭，需要四個火箭接力才能完成發射。而我國的長征五號火箭是一級半火箭，在助推器的幫助下，只需要一級火箭就把空間站給送上去了。關鍵就是火箭芯級使用了目前比衝最大的化學燃料，液氫液氧。除了長征五號乙，世界上其他所有火箭至少都是兩級火箭。
固體火箭的比衝只有200多秒，即使液氫液氧發動機比衝也不過400多秒，還不到500秒。但是霍爾電推動器，比衝少則500秒以上，多則8000秒以上，東方紅五號使用的霍爾電推動器LIPS-300，比衝可以達到3500-4000s。換用霍爾電推動，所用的推進劑是化學發動機的十分之一到二十分之一。這對於需要長期工作的衛星和空間站來說，是非常有利的。衛星可以大大延長使用壽命，空間站可以大大減少推進劑的補加次數。
這樣你就理解小推力霍爾電推進的好處了吧。但是，我個人比較困惑的是，我國的空間站為什麼放著更先進的LIPS-300推進器不用，而要用LHT-100推進器呢。前者推力是後者的兩倍還多，比衝也是後者的兩倍以上。公開文獻資料，LHT-100的比衝大概只有1600s，雖然比液氫液氧強多了，但跟LIPS-300的3500s還是差很多的。希望是網傳錯誤，實際使用的是LIPS-300，或者LHT-100經過改進比衝已經提高了吧。
唯一讓我相信LHT-100值得使用的優勢就是，經過地面測試，它的使用壽命非常長，滿足空間站15年的使用期限毫無問題。也就是說，我國空間站15年內不用更換動力了。
二、天舟二號給“天和號”核心艙加註的是什麼燃料？
接下來說說我國的空間站使用什麼燃料，天舟一號給空間站補加的燃料到底是什麼。因為大量的媒體報道並沒有透漏這個資訊，我們只能從其他線索來了解這個。透過查閱大量的資料，我基本確定，中國的空間站使用的燃料很可能是偏二甲肼和四氧化二氮。因為國內最成熟的軌控發動機和姿控發動機都是使用這個燃料，神舟飛船也是使用這個燃料，國際空間站也一樣。而且使用這個燃料有很多的好處。
按照前面提到的比衝理論，空間站用液氫液氧發動機、液氧煤油發動機和液氧甲烷發動機都比偏二甲肼發動機要好。但是這些發動機有一個共同的缺點，就是推進劑需要低溫或高壓儲存，長期使用容易揮發。比衝高的目的是為了省燃料，但如果燃料自己揮發，那就不太理想了。尤其是液氫液氧，特別容易揮發，我們看地面發射火箭時，臨到最後發射的那一刻，才停止燃料的補加，大量氣體在存放的過程中都揮發掉了。
對於火箭這種幾分鐘就完成任務的航天器來說，容易揮發也是可控的。但對於空間站這種常年在天上待著，隨時需要燃料的航天器來說，容易揮發的燃料顯然不是個好選擇。所以國際空間站也好、阿波羅飛船也好、火星探測飛船也好，往往都是使用偏二甲肼做燃料，而不是其他。不過事情也不是絕對的，美國馬斯克的火星探測飛船星艦就準備用液氧甲烷推進劑，因為將來可以到火星上補充燃料，偏二甲肼在火星上是找不到的。
偏二甲肼做燃料的第二個好處是，它只要跟氧化劑四氧化二氮混合在一起就可以自動點燃，無需給發動機另外配個點火器。除了它以外，其他所有燃料都是需要點火器的。對於需要連續使用十多年的空間站來說，發動機的穩定性和可靠性是非常重要的。目前來說偏二甲肼做燃料的發動機穩定性是所有發動機裡最好的，不容易出故障。我國的載人航天專用火箭長征2F十二次發射從沒出過任何事故，跟發動機穩定可靠有很大的關係，它的發動機燃料就是偏二甲肼和四氧化二氮。但是這種燃料是有毒的，使用的過程中要格外小心。
三、霍爾電推進技術為啥不能完全替代化學燃料發動機
很多人認為，有了霍爾電推進，還用化學發動機幹什麼啊？不費燃料嗎？其實普通發動機和霍爾電推進是互補的。霍爾電推進雖好，但推力太小，不利於快速變軌處理突發情況。比如，如果發現空間站可能會被太空垃圾給撞上，就需要提前改變軌道，及早躲開障礙。這時候，推力幾百牛的化學發動機可以輕鬆實現快速變軌，用電推進變軌就困難太多了。
另外，天舟飛船和神舟飛船都使用快速對接方案，為了配合它們，空間站必須提前變軌調整姿態才能完成對接，這也需要化學發動機來完成。而平時的軌道維持，用電推進最好了，節省燃料而且可以精準調整軌道。
四、霍爾電推進技術需要燃料嗎？
最後，說一下，霍爾電推進也是需要推進劑的，它的推進劑可不是偏二甲肼。現在應用最廣泛最成熟的推進劑是氙氣，不是神仙的氣，而是馬路上汽車使用的氙氣大燈的那種氙氣，這是一種稀有氣體，化學性質穩定，即使在霍爾電推進的過程中被離子化，其腐蝕性也是比較小的，有利於延長推進器的使用壽命。
其實除了氙氣以外，氪氣也被研究用來做推進劑，這也是一種稀有氣體。美俄更是在研究碘或者鉍來做推進劑，這類推進劑據說能讓推進器的比衝達到驚人的8000秒。將來的遠端探測計劃很有可能使用這一類的推進劑。
中國空間站透過常規發動機和霍爾電推進的結合，實現了最優的軌道控制技術，明顯領先於國際空間站，是未來發展的方向。但，也不能過於驕傲，美俄等國的霍爾電推進技術，從正在使用的推進器到正在研發的推進器都是領先中國的，各類航天器中的使用經驗也比中國多，只是沒有在空間站上應用而已。所以，既不要妄自菲薄，也不該盲目自大。
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