從吹動一張紙到舉一瓶水,我國霍爾電推再升級,空間站帶不動它?

說到霍爾電推進器,大家總喜歡用「吹動一張紙」來形容,比如我國空間站「天和」核心艙裝備的4台霍爾電推,單台推力只有80毫牛,而這在國際上還是非常先進的水平。不過,現在,咱們的裝備又升級了,推力最大的霍爾電推已經達到5牛,差不多可以舉起一瓶水了。

天和核心艙使用了霍爾電推

實際上,2021年我們就已經完成了這個小目標,當時,HET-5000百千瓦級大功率霍爾推力器樣機研製成功並實現穩定點火運行,它的設計運行功率為50到100kW,推力為2到5牛,效率超過70%。而在今年1月,HET-2000HP超高比沖霍爾電推進發動機,實測比沖也超過了5300s,超過了俄羅斯D-100超高比沖霍爾電推最高比沖為4250s的成績,刷新了氙氣工質下霍爾電推進的國際最高比沖紀錄。

國產霍爾電推

有人可能對「吹動一張紙」、「舉起一瓶水」嗤之以鼻,但實際上懂的人自然懂,在霍爾電推連續工作的情況下,這樣的推力水平累積起來,是巨大的進步。更讓人憧憬的是,2年前,我國的霍爾電推才剛剛實現1牛的推力,2年後就成倍增長了,這樣下去,不會連星際旅行都不是夢了吧?

HET-5000點火

當然,目前在國際上,俄羅斯D-160的驗證最高功率已經達到了140kW,採用鉍金屬推進劑,最高比沖達到8000s,效率超過70%。而美國嵌套式三通道推進器X3的最高功率達到102kW,最大推力達5.4牛,最高比沖為2650s,據說現在連X3的紀錄都被破了,美國最先進的霍爾電推的公開數據已經達到了160kW了。而下一步,我國也將向最高功率100kW、最高比沖8000s的目標邁進。

美國X3是三通道推進器,所以直徑特別大

不過,這動不動就100多kW,對電力的消耗是十分巨大的,以「天和」核心艙目前18kW的發電水平,要驅動一台100多kW的霍爾電推,需要將太陽翼擴大好幾倍,並且不能考慮其他設備用電,這顯然不現實。

天和核心艙電推在軌點火

航天器的霍爾電推要想獲得強大的電力保障,目前來看有三種方法,第一種是太空發電站,即使用集中式發電系統,在地月軌道上像加油站一樣布開,為地月擺渡船進行無線供電,這也是我國航天界近兩年提出要建千米級太空發電站的原因之一。

千米級太空發電站的用途在這裡,而不是把電又傳回地球

第二種辦法,則是用空間核反應堆發電,航天器用電推進,這是高軌乃至深空低成本旅行的唯一路徑。第三種辦法則是低功率大容量核電池,加變電系統,因為即使是霍爾推進器,也並非一直啟動的,不需要配同功率電源。

嫦娥四號裝備了核電池

以上三種辦法,太空發電站的出現尚需時日,而空間反應堆目前國外已經有了,比如俄羅斯的「宙斯」核動力太空拖船,目前已經造出原型機,採用了兆瓦級的氣冷快中子反應堆,以氦氙混合物作為冷卻系統,可以向霍爾電推提供源源不斷的能量。

宙斯已經造出了成品

不過,我國目前最為現實的,還是採用低功率大容量核電池,加變電系統的方案,比如咱們正在研製中的太陽系邊際探測器,也就是中國版的「旅行者一號」和「旅行者」二號,就有三種方案:核電池+化學推進、核電池+電推進、空間核反應堆+電推進,其中最可能實現的就是核電池+電推進方案。

中國版旅行者一號的發射會比大家想像種的更快