2022年1月28日，中国航天科工集团官方微博发布了一个大新闻：

航天五院510所研制的大功率霍尔电推进技术获得重大突破，标志着我国在大功率电推进技术领域内，百千瓦级霍尔推力器性能达到国际先进水平。在地面试验中，单通道霍尔推力器以Xe为工质，最大功率达到105千瓦，最大推力达到4.6N，以氪为工质最高比冲超过5100秒

　　这种发动机将为未来载人登月、在轨服务以及载人登陆火星等提供关键技术支持，可以说是当前飞向星辰大海最理想的发动机。

　　霍尔电推进发动机：推力那么小，究竟能干嘛？

　　我们经常以只能推动一张纸来形容离子电推发动机，比如我国正在建设的天宫空间站上就使用了LT-100型霍尔电推发动机，其推力为80mN，总共四台发动机，2台主推，2台备份，它就是未来天宫空间站轨道维持的主力发动机。

　　化学火箭不香吗？为何还要搞微推力发动机？

　　在地球上将物体推进的办法很多，比如用内燃机驱动轮子，或者驱动水里的螺旋桨，在空中可以用喷气式或者螺旋桨推进，有用摩擦力的，也有使用螺旋桨拨动水或者空气取得反作用力推动自身前进。

　　那么从地面到大气层内再到太空呢，有没有一种发动机是通吃的？这就是火箭发动机，它自带燃料和氧化剂，通过涡轮泵以各种循环进入燃烧室后发生剧烈的燃烧反应，高温高压的燃气经过喷管膨胀，向发动机后方喷出就形成了推动火箭前进的力量。

　　为了驱动沉重的火箭飞上太空，火箭燃料与氧化剂大量泵入燃烧室，比如土星五号的一级火箭重达2300吨，绝大部分都是燃料，只有168秒就全部烧完了，平均每秒烧掉13吨，是不是很恐怖？

　　当然在大气层内为了尽早将火箭送往太空，这是非常有必要的，但当航天器长期在轨或者要飞向月球以及火星时，化学火箭的大推力但燃料消耗速度太快就成了一个大问题。

　　如何燃料烧得更久？

　　土星五号的恐怖燃料燃烧速度实在太吓人，假如能让火箭燃料烧得更久一些，不就可以解决问题了吗？这里必须要来了解一个比冲的概念：

　　比冲这个概念很多朋友都不太理解，直观一点理解就是1牛顿重量的物质持续产生1牛顿推力的时间，这个值越大越好，简单的理解就是燃料利用率，比冲越高，效率也越高，同样重量的燃料让火箭飞得更远，或者同样的距离燃料消耗更少。

　　如何增加火箭的比冲？

　　方法有几个，一种就是使用含能密度更高的燃料，比如氢氧燃料，现代火箭发动机比如早期的毒发的燃料是偏二甲肼与四氧化二氮的发动机，大都在260~280S左右；

　　液氧煤油的火箭发动机，比如俄罗斯的经典名机RD-180比冲在338S，我国的YF-100能达到335S。

　　化学发动机中最NB的是氢氧发动机，比如日本H2的一级火箭就是氢氧机，比冲为446S，我国的YF-77为430S。

　　另一种方法当然是改变火箭发动机的循环模式，最早的是挤压循环，结构简单但比冲很低，后来开发出了燃气发生器循环（少量燃料推进涡轮泵，将燃料送入燃烧室），后来又有闭式循环（燃气发生器循环的富氧燃烧或者富油燃烧后再进入燃烧室），还有更复杂的分级燃烧循环等等。

　　穷尽一切努力达到了当前火箭工业的最高水准，但科学家仍然不满意它的性能！当然最后还有一个办法，那就是提高排气速度，上文中化学火箭的最高排气速度也就3-4千米/秒，而为了提高排气速度，更换燃料，改变循环，如今已是黔驴技穷了。

　　当然还有一种革命性的改变办法，使用电场来加速电离后的电子和质子，这种方式轻而易举就能达到数十千米甚至数百千米的排气速度，当然只要愿意，这个排气速度甚至可以接近光速，不过作为火箭使用根本就没有这个必要。

　　离子发动机的原理如何，究竟有哪几种离子发动机？

　　这种用电场来加速离子的发动机被称为离子发动机，一般都习惯称为离子电推，它的原理上文已经简述了，将“燃料”电离后，区分出离子（带正电荷），电子（带负电荷），两者在电场中运动方向是相反的。

　　然后将离子在静电场中加速，离子就会快速往前跑，最后跑出喷口脱离了发动机，根据作用与反作用原理以及离子的质量和速度，那么可以计算出推力，这就是早期的网格静电离子推进的原理，它只加速离子，因此需要在发动机喷口附近放置一个阴极给喷出的离子注入电子中和，防止发动机电荷积累。

　　网格静电离子推进器出现很早，最早在1960年代就出现了，此后一直都是卫星的轨道维持以及科学探测任务的发动机，比如深空和黎明号两个探测器都用这种原理开发的离子电推发动机。

　　霍尔电推又是什么原理？

　　霍尔推进原理是利用过圆柱形阳极和形成阴极的带负电等离子体之间的电势加速离子，推进剂被引入阳极附近，离子化后在磁场的限制下流向阴极，并且通过它加速，离开阴极时离子会带上电子中和后高速离开推进器。

　　霍尔电推进发动机

　　网格静电离子推进器的比冲极大，可以达到上万秒，但它的推力过小，一般在微牛级别，只能用于卫星或者探测器的轨道维持或者加速，假如要加速大型航天器，那么需要一种推力更大，但比冲可以适中的发动机。

　　霍尔推进的比冲最高可达6000S以上，推力取决于功率，比如一台典型的霍尔电推在1.35KW下可以产生83毫牛的推力，但10KW时可达600毫牛，在100KW时可达5.4牛顿（NASA的X3霍尔电推发动机，全球顶尖的霍尔电推发动机之一）

　　离子电推发动机还有哪些？

　　离子电推发动机种类繁多，霍尔电推和网格静电离子推进器都属于静电推进器，在这个类别下还有场发射电推进。另外则是电磁推进，比如脉冲感应推进器、磁等离子动力推进器、无电极等离子推进器、Helicon 双层推进器、可变比冲磁浆火箭（VASIMR）等等，

　　不过现代最成熟的无疑就是网格静电离子推进器和霍尔电推！前者寿命可达2万小时甚至更长，比如NASA的氙气推进器(NEXT) 项目连续运行超过4.8万小时，后者也能达到约5000小时，未来的目标是全寿命达到5万小时。

　　用什么燃料？

　　离子电推进发动机的燃料有一个要求，容易电离，离子的质量比较大的元素，比如早期有汞，后来因为有毒被放弃，再后来用氙，也有用氪以及铋和碘，还有氩甚至金属镁和锌等。

　　这些金属在高温下都有不同的发射光谱，因此不同燃料的发动机发出的颜色是不一样的，你甚至可以根据喷口发光判断它究竟用了什么燃料。

　　离子发动机到底有多节约燃料？

　　离子发动机燃料节省到了令人发指的程度，比如总重量达到了486千克的NASA深空一号以81千克氙推进剂提高了3.51千米/秒的速度。

　　而探测小行星带的黎明号探测器则以425千克的氙推进剂取得了11.49千米/秒的加速，假如使用化学燃料，燃料消耗十倍都不止。

　　推力那么小，真有用吗？

　　离子电推进发动机动辄微牛毫牛，即使如天宫轨道维持的LT-100型霍尔电推发动机，其推力只有80mN，也就是0.08牛顿，不过就是托起一张纸的力量，毫无用处不是吗？

　　其实在太空没有空气阻力的状态下，已经处在了“离心力”与引力平衡的状态，只需很轻的一个力量输入就能改变飞行器的状态，并且这个力量还能持续不断的提供一天、一月甚至一年持续不断的加速，并且还没有空气阻力，那么速度累加将会达到一个极高的数值。

　　现代飞船飞向火星，假如用化学火箭的话，除了脱离地球轨道和进入火星轨道外需要加速开机和减速开机外，中间只有轨道调整才会开机，对速度增加几乎就不会有考虑，因此从地球到火星动辄就是半年甚至更久。

　　更麻烦的是半年到达火星后，等下次火星靠近地球需要2年以后，如果使用化学火箭的话只能等火星再次靠近地球才会返回地球。假如使用霍尔电推火箭在途中不断加速的话，甚至可以将时间缩短到2-3个月，甚至1个月，当火星一次冲日中即可完成载人火星登月，总来回时间也就半年时间，对于科学家来说，这具有无比诱惑力。

　　离子电推发动机唯一的缺点是推力太小，它只能作为深空宇航使用，而从地球到太空，仍然需要仰仗化学火箭，这点暂时仍然没有办法改变。

　　延伸阅读：核动力火箭

　　其实科学家早已发明出一种比冲介于离子发动机和化学火箭之间的发动机，这就是各位闻之色变的核动力发动机。

　　核动力发动机严格区分原理的话大约有三种，一种是使用核弹在飞船后面爆炸，再利用蒸发材料对飞船的冲击获得速度，这种经过测试理论上是可行的，但实在太疯狂了，不过在国家地理频道拍摄《撤离地球》中，使用的仍然是核弹爆炸推进版。

　　另一种则是用核裂变加热工质后通过尾喷口排出，这种需要核裂变堆以及工质氢气，不选择水是因为在加热过程中，水分子的多个态会吸收额外的能量，而且氢的转换效率则要比水分子要高得多。

　　还有就是所谓的核聚变发动机，不过很抱歉这种发动机到现在为止还处在想象中，我们就不多讨论了。

　　其中已经测试并且已经到了实用化阶段的第二种核裂变加热工质的火箭发动机，其性能相当不错，只是很可惜的是没有人会同意将一个核反应堆升上空中，一旦发生事故后果将不堪设想，除非人类不打算返回地球，否则是不可能在地球上开启这种发动机的，就算将其发射到太空后再开机也不行，万一它在空中炸了呢？