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推動90噸巨無霸——霍爾電推進引擎的太空奇跡。

2024-03-05科學

只能推動一張紙的微弱力量,如何推動重達90噸的空間站?

從中國成功研發原子彈到如今建設空間站,我們經歷了許多技術封鎖,以前很多人只認為西方國家在宇宙探索方面處於領先地位,這導致了一種崇洋媚外的心態。

然而,如今中國的科技實力正在迅速崛起,尤其在空間探索領域取得了重大突破。其中,霍爾電推進發動機就是一項重要的技術成就。

雖然其推力只有320毫牛,但足以輕松推動重達90噸的空間站。那麽,這種引擎的神奇力量是如何實作的呢?

一、「90噸」空間站翺翔太空的原理

中國的空間站目前總重近90噸,位於距離地面約390公裏的高度!許多人可能會好奇,這樣一個龐大而沈重的物體要在天空中飛行,必定需要巨大的推力。

那麽,空間站的飛行動力究竟來自何處呢?

實際上,空間站之所以能夠穩定地維持在軌域上飛行,是由於地球重力的作用。

地球重力是由地球的質素所產生的,其大小與地球的質素成正比,與空間站與地球之間的距離的平方成反比。

這種重力作用使得空間站沿著一個圓形的軌域運動,並且在這個時候,空間站所受到的力達到了平衡狀態。若空間站離地球過近,地球重力過大,就會導致空間站墜入地球。

相反,若空間站離地球過遠,它所受到的重力就會減小,最終導致空間站逐漸遠離地球。為了保持空間站在正確的軌域上,航天員需要進行類似於駕駛「太空汽車」的修正。

這可以透過調整空間站的速度和方向來實作。當空間站的軌域高度下降時,航天員可以點燃發動機增加速度;而當軌域高度上升時,則需要減小速度以保持正確的軌域。

隨著太空領域技術的不斷發展,現代空間站將逐步采用電推進發動機來進行姿態調整。與傳統的化學火箭發動機相比,電推進發動機具有更多的優勢。

在相同的燃料消耗下,電推進發動機可以產生更大的推力,接下來我們將深入了解其原理。

二、霍爾電推進發動機如何「四兩撥千斤」

盡管霍爾電推進發動機的推力僅為320毫牛,在地球上,這種推力甚至無法舉起一個雞蛋,僅能推動一張紙!

然而,在實際運用中,它的推力效果卻相當可觀。前文提到,90噸重的空間站在太空軌域上基本上處於力的平衡狀態。

正如壓死駱駝的最後一根稻草一樣,即使是微小的額外推力也可能成為決定空間站執行方向的關鍵。

就像大人拔河比賽一樣,如果兩邊勢均力敵,一個小孩的加入可能會成為決定勝負的關鍵因素。因此,霍爾電推進發動機產生的額外推力對於空間站的軌域維持至關重要。

即便是微弱的推力也足以使空間站獲得加速度。而中國的空間站已經配備了4台霍爾電推進發動機,這將大幅減少空間站維持軌域位置時所需的化學燃料消耗。

對於霍爾電推進發動機的工作原理,許多人可能會產生疑問:既然它不燃燒燃料,那麽是如何產生推力的呢?

實際上,這種發動機利用了霍爾效應。簡而言之,霍爾效應是透過電壓差產生磁場,使內部導體的電荷發生偏轉,從而以幾十公裏每秒的速度排出離子,進而產生反作用力。

中國之所以大力研發這種發動機是有原因的。提及飛船或衛星,許多人往往會聯想到高昂的成本。維護一台豪車已經是一筆不小的費用,更別提空間站的維護成本了。

如果空間站不啟動推進系統,每個月的軌域高度將下降2公裏。因此,需要定期啟動發動機進行軌域維持,這將耗費大量燃料。

就拿國際太空站來說,每年在這方面的開支就超過2億美元!

然而,霍爾電推進發動機很好地解決了這個問題,節省了成本。此外,它質素優良,通常可以使用10年以上,並且在執行過程中無汙染排放。

三、點對了「技能點」很重要

在航天器的發展中,選擇正確的技術方向就像是遊戲中的高手選擇正確的技能進行加點升級一樣,能夠事半功倍。

早在上世紀70年代,被譽為「中國航天之父」的錢學森就提出了中國應該發展電推進技術,並推動了相關研究的開展。

正是在錢老的遠見卓識下,經過多年的不懈努力,中國相關技術才走在了世界前列,才有了如今用於中國空間站的霍爾電推進發動機。

中國在霍爾電推進發動機領域取得了豐碩的研究成果,並成功研制出多款霍爾電推進發動機並將其成功套用於多個重要航天器上,例如嫦娥五號探測器、天宮一號空間站等。這些航天器的成功執行證明了中國在霍爾電推進發動機技術上的實力和成就。

除此之外,中國還在積極推進霍爾電推進發動機的商業化行程。據報道,中國已與多家國內外企業展開合作,共同研發適用於商業航天領域的霍爾電推進發動機。

如果這些合作專案成功實施,將進一步降低霍爾電推進發動機的成本,促進商業航天領域的發展。

總的來說,霍爾電推進發動機憑借其高比沖、長壽命、低汙染等優勢,已經成為航天領域不可或缺的重要技術之一。

我們期待著中國在航天領域取得更多的創新和發展,為人類探索宇宙作出更大的貢獻。