前段时间,航天科技集团六院801所研制的我国首款20千瓦大功率霍尔推力器成功完成点火试验,点火时间累计达8小时,点火次数超过30次。该推力器的成功研发,实现了我国霍尔电推力器推力从毫牛级向牛级的跨越。

中国首款牛级霍尔推力器成功点火,全球仅美国、俄罗斯、欧盟掌握-MAAMX

霍尔电推力器又称霍尔效应推力器。什么是霍尔效应呢?1879 年,美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现,带电粒子(例如电子)在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转,那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场,其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时,载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。

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霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”,这个电势差也被称为霍尔电势差。

简单来说,霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力,从而在导体的两端产生电压差。

霍尔推力器具有中等比冲(1600s)的空间推进技术(比冲是指单位质量的推进剂所能带来的冲量,这也是火箭推进剂最最重要的指标之一),但它本质上还是一款火箭发动机,它末端的空心阴极(离子推力器中的空心阴极在前端)与前端的阳极放电室自发形成了一个电场。空心阴极产生的一部分电子会自发向阳极迁移用于维持放电,另一部分则与离子推力器的中和枪作用一致,保持排出工质的电中性。

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但是,放电产生的离子会向四面八方散逸,那么需要进行约束。在霍尔推力器中,磁极沿着轴向呈梯度变化的趋势,越靠近尾部越强;且构建了内外两个磁线圈,形成了指向圆心的磁场。霍尔效应的磁场就是要满足霍尔效应。

.1972年,前苏联研制的霍尔推力器在其 METEOR 卫星上进行了首次试飞实验,因为这是目前已实用化的火箭技术中,最为经济的一种,因为只要调整电场强度,就可以调整推力,由于比冲远大于现有的其它推进技术,因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的最终速度,而既然太空船本身不需要携带太多燃料,总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的运载火箭,节省下来的燃料更是可观。

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再加上该结构简单高效率等优点成为未来空间飞行器的首选推进装置之一。可为大型GEO(地球静止轨道)卫星、中型/重型全电推平台、深空探测器、地球轨道空间运输平台、太空摆渡车等航天器的轨道机动转移,在轨位保和姿态控制等任务提供高效动力支撑。(PS:霍尔推力器与离子推力器的工作原理十分相似,但是其结构与电离的方式存在很大的区别,千万不要搞混)

但是此前霍尔推力器只能实现毫牛级,能够达到牛级技术的很少,目前世界上最先进的霍尔推力器是美国的X3 新型霍尔推进器,他打破了此前NASA另一台霍尔推进器所创下的三项纪录,分别是推力、运行电流和运行功率。

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X3 产生了5.4牛顿的推力,比上一代的3.3牛顿进步一大截,而推力的提升对载人火箭计划来说意味着更快的加速和更短的航行时间;X3 的运行电流达到了250安培,比前一代的112安培提升了一倍多;在运行功率方面,X3 的102千瓦也击败上一代的98千瓦。美国还打算将霍尔推力器运用于火星建立基地、向太空发射大量货物等任务中。

中国霍尔推力器的研发时间比较短,开始于90年代末21世纪初,底子薄,资金少,在这样的情况下,我们依然实现了霍尔推力器由毫牛级向牛级的跨越。

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中国部分推力器产品

据悉,该推力器在设计中采用了空心阴极中置、磁屏蔽长寿命等新技术。研制中先后攻克大电流空心阴极、轻质小型化加速器、高效热管理、高压大功率稳定放电等关键技术,具有推力大、比冲高、工作寿命长、可靠性高等特点,

中国此次创下的成果,之前仅美、俄、欧拥有,标志着中国的霍尔推力器技术达到了世界一流。正如航天人员所说:我们的旅途是星辰大海。

让我们祝中国航天人员取得更伟大的成绩。