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推动90吨巨无霸——霍尔电推进引擎的太空奇迹。

2024-03-05科学

只能推动一张纸的微弱力量,如何推动重达90吨的空间站?

从我国成功研发原子弹到如今建设空间站,我们经历了许多技术封锁,以前很多人只认为西方国家在宇宙探索方面处于领先地位,这导致了一种崇洋媚外的心态。

然而,如今中国的科技实力正在迅速崛起,尤其在空间探索领域取得了重大突破。其中,霍尔电推进发动机就是一项重要的技术成就。

虽然其推力只有320毫牛,但足以轻松推动重达90吨的空间站。那么,这种引擎的神奇力量是如何实现的呢?

一、「90吨」空间站翱翔太空的原理

我国的空间站目前总重近90吨,位于距离地面约390公里的高度!许多人可能会好奇,这样一个庞大而沉重的物体要在天空中飞行,必定需要巨大的推力。

那么,空间站的飞行动力究竟来自何处呢?

实际上,空间站之所以能够稳定地维持在轨道上飞行,是由于地球引力的作用。

地球引力是由地球的质量所产生的,其大小与地球的质量成正比,与空间站与地球之间的距离的平方成反比。

这种引力作用使得空间站沿着一个圆形的轨道运动,并且在这个时候,空间站所受到的力达到了平衡状态。若空间站离地球过近,地球引力过大,就会导致空间站坠入地球。

相反,若空间站离地球过远,它所受到的引力就会减小,最终导致空间站逐渐远离地球。为了保持空间站在正确的轨道上,航天员需要进行类似于驾驶「太空汽车」的修正。

这可以通过调整空间站的速度和方向来实现。当空间站的轨道高度下降时,航天员可以点燃发动机增加速度;而当轨道高度上升时,则需要减小速度以保持正确的轨道。

随着太空领域技术的不断发展,现代空间站将逐步采用电推进发动机来进行姿态调整。与传统的化学火箭发动机相比,电推进发动机具有更多的优势。

在相同的燃料消耗下,电推进发动机可以产生更大的推力,接下来我们将深入了解其原理。

二、霍尔电推进发动机如何「四两拨千斤」

尽管霍尔电推进发动机的推力仅为320毫牛,在地球上,这种推力甚至无法举起一个鸡蛋,仅能推动一张纸!

然而,在实际运用中,它的推力效果却相当可观。前文提到,90吨重的空间站在太空轨道上基本上处于力的平衡状态。

正如压死骆驼的最后一根稻草一样,即使是微小的额外推力也可能成为决定空间站运行方向的关键。

就像大人拔河比赛一样,如果两边势均力敌,一个小孩的加入可能会成为决定胜负的关键因素。因此,霍尔电推进发动机产生的额外推力对于空间站的轨道维持至关重要。

即便是微弱的推力也足以使空间站获得加速度。而我国的空间站已经配备了4台霍尔电推进发动机,这将大幅减少空间站维持轨道位置时所需的化学燃料消耗。

对于霍尔电推进发动机的工作原理,许多人可能会产生疑问:既然它不燃烧燃料,那么是如何产生推力的呢?

实际上,这种发动机利用了霍尔效应。简而言之,霍尔效应是通过电压差产生磁场,使内部导体的电荷发生偏转,从而以几十公里每秒的速度排出离子,进而产生反作用力。

我国之所以大力研发这种发动机是有原因的。提及飞船或卫星,许多人往往会联想到高昂的成本。维护一台豪车已经是一笔不小的费用,更别提空间站的维护成本了。

如果空间站不启动推进系统,每个月的轨道高度将下降2公里。因此,需要定期启动发动机进行轨道维持,这将耗费大量燃料。

就拿国际空间站来说,每年在这方面的开支就超过2亿美元!

然而,霍尔电推进发动机很好地解决了这个问题,节省了成本。此外,它质量优良,通常可以使用10年以上,并且在运行过程中无污染排放。

三、点对了「技能点」很重要

在航天器的发展中,选择正确的技术方向就像是游戏中的高手选择正确的技能进行加点升级一样,能够事半功倍。

早在上世纪70年代,被誉为「中国航天之父」的钱学森就提出了我国应该发展电推进技术,并推动了相关研究的开展。

正是在钱老的远见卓识下,经过多年的不懈努力,我国相关技术才走在了世界前列,才有了如今用于中国空间站的霍尔电推进发动机。

我国在霍尔电推进发动机领域取得了丰硕的研究成果,并成功研制出多款霍尔电推进发动机并将其成功应用于多个重要航天器上,例如嫦娥五号探测器、天宫一号空间站等。这些航天器的成功运行证明了我国在霍尔电推进发动机技术上的实力和成就。

除此之外,中国还在积极推进霍尔电推进发动机的商业化进程。据报道,中国已与多家国内外企业展开合作,共同研发适用于商业航天领域的霍尔电推进发动机。

如果这些合作项目成功实施,将进一步降低霍尔电推进发动机的成本,促进商业航天领域的发展。

总的来说,霍尔电推进发动机凭借其高比冲、长寿命、低污染等优势,已经成为航天领域不可或缺的重要技术之一。

我们期待着我国在航天领域取得更多的创新和发展,为人类探索宇宙作出更大的贡献。