中国空间站自2022年全面建成后，一直在高度约为400公里的近地轨道平稳运行着。那么，是不是只要空间站进入预定轨道，它就能一直平稳运行下去呢？
空间站的动力来源
当然不是啦，在更高的轨道（如地球同步轨道，约35786公里）或深空环境中，大气阻力几乎可以忽略不计。但在距离地球表面约200-2000公里的近地轨道上，空间站或卫星仍然会受到极其稀薄的大气阻力影响。尽管这里的大气密度非常低（约为地球表面的十亿分之一），但由于空间站的速度极高（约7.8公里/秒），这些微小的阻力也会逐渐降低空间站的轨道高度。如果不定期使用推进系统提升轨道，空间站就会以每天下降几十米的速度坠入大气层。
天和核心舱上搭载的4台霍尔推进器
为此，中国空间站天和核心舱上除了有以化学燃料产生推力的推进器外，还搭载了4台国产自主研发的LHT-100型霍尔推进器，每隔一段时间为空间站抬升轨道，保障空间站稳定运行。霍尔推进器与传统的化学推进器并没有本质上的区别，都是依靠向外喷射物质产生的反作用力来推动航天器前行。不过，火箭所使用的是化学燃料，利用燃料的化学能产生反作用推力，而霍尔推进器则采用静电推进的方式为空间站在轨运行提供动力。
“静电推进”听起来是不是非常神奇，那么霍尔推进器的原理是什么呢？
霍尔推进器大解析
霍尔推进器又被称为等离子体霍尔效应推进器，是一种利用霍尔效应原理工作的离子推进器。霍尔效应（Hall Effect）是指当电流通过导体或半导体时，在垂直于电流方向施加磁场的情况下，导体或半导体两侧会产生一个垂直于电流和磁场方向的电压现象，这个电压称为霍尔电压（Hall Voltage）。这种现象是由美国物理学家埃德温·霍尔（Edwin Hall）于1879年发现的。霍尔推进器通过磁场和霍尔效应形成环状电子束，利用电子束电离氙气并加速离子，最终通过喷射高速离子流产生推力。这种推进方式不仅高效，而且燃料消耗极低，非常适合在太空环境中使用。
霍尔推进器核心结构示意图
在霍尔推进器中，磁场通常由电磁铁或永磁体产生。这个磁场的作用是使电子在推进器内部形成一个环状电子束。电子源则是推进器中的一个关键部件，它负责发射电子。这些电子在磁场的作用下，由于霍尔效应，会被限制在一个环状路径中运动，形成一个环状电子束。当氙气被输入到霍尔推进器中时，环状电子束中的高速电子会与氙气分子碰撞，使其电离。电离后的氙离子带正电，而电子带负电。由于磁场的作用，电子和离子会被分离，电子继续在环状路径中运动，而离子则被加速到极高的速度（可以超过10公里每秒）。这些高速的氙离子随后被喷射出推进器，产生推力。以美国的“黎明号”小行星探测器为例，它搭载了三台离子推进器，能够喷射出时速高达14.32万公里的离子流作为动力源。在长达11年的任务中，“黎明号”飞行了约69亿公里，成功完成了对小行星带中谷神星和灶神星的探测任务。这一成就充分展示了霍尔推进器在深空探测中的高效性和持久性。
霍尔推进器的核心优势在于其利用电能作为动力来源，而太空中太阳能资源丰富，能够为推进器提供持续的能量供应。以中国空间站“天和”核心舱为例，它的双翼面积达134平方米，发电量超过18千瓦，而三舱组合的总发电量至少达到90千瓦，充足的电力能源使得霍尔推进器在长期任务中表现出色。不过，它也面临一些技术瓶颈。比如，霍尔推进器所需的工质——氙气，是一种稀有气体，价格昂贵，这直接推高了它的使用成本。
霍尔推进器与传统火箭发动机运转画面
霍尔推进器在深空探索方面表现得如此优越，那么它是否适用于火箭发射呢？毕竟霍尔推进器在喷流速度方面表现卓越，其喷射的气体速度可超过3万米/秒，是传统化学火箭发动机喷射气体速度的十倍，有效荷载能获得近十倍的速度增量。
然而，霍尔推进器的高喷流速度并不意味着它适用于火箭发射。尽管其喷流速度比化学发动机快得多，但推力却非常小，总功率有限，无法满足火箭发射时所需的巨大推力。
尽管推力小是霍尔推进器的一个劣势，但在某些场景下，这反而成为了优势。例如，在卫星变轨和姿态控制等精度要求极高的任务中，霍尔推进器的小推力特性使其能够实现精准调控。相比之下，化学火箭的推力过大，难以精确控制，而霍尔推进器则能够以较少的推进剂实现精细操作，特别适合长时间、高精度的航天任务。
未来，霍尔推进器的发展方向主要集中在提高喷流速度和运行效率，同时增加推力，以扩大其应用范围。随着技术的进步，霍尔推进器有望被应用于更大型的飞行器，为深空探测和航天任务提供更强大的动力支持。这一技术的进一步发展将为人类探索宇宙开辟新的可能性。
部分信息来源于：科普中国、央视等
（科学性审核：周炳红，中国航天科普大使）
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