抛弃化学燃料，超越其他空间站，中国空间站离子电推究竟有多牛？

　　独一无二的天宫空间站
　　随着天宫空间站的建设，中国伟大的航天梦在此又向前迈进了一步。
　　从2021年开始，天宫空间站开始搭建相应的模块，如今已经初步完成建设。
　　天宫空间站全貌
　　这是自人类1986年以来第三个在轨的大型空间实验平台，它主要由天和核心舱、问天实验舱和梦天实验舱组成。
　　过去我国设立了三步走战略计划，天宫空间站的成功建设标志着第二阶段的尾声，下一步，我们将会把目光聚焦到月球。
　　不过在此之前仍有不少细节工作还需要处理，未来还需要再等待一阵子。
　　但是我们可以看看天宫空间站现在状态和样貌，以及它未来的工作任务。
　　宇航员正在空间站展开科普教学
　　从立项到前期准备，天宫空间站经历了10年的时间，最终将三个核心舱成功组装，形成一个完整的空间实验平台。
　　这对中国来讲意义重大，天宫空间站成功建设和未来的运营能够帮助中国独立掌握近地空间长期载人飞行技术，由此可以显著提升中国在国际科学技术领域的影响。
　　从现在的状态来看，天宫空间站已经证明是可靠的在轨运行空间站，宇航员能够在上面进行长期的生。
　　同时，相应的多领域空间科学也会在这里展开，包括相关的技术实验。
　　天宫空间站的配置是目前国内同类航天产品中最复杂、难度最高的建设，并且在控制精度和空间智能机械化系统中也是数一数二的。
　　别看天宫空间站只是模块化设计，听上去就像搭积木一样简单，但是每个模块的独立系统都是科学家和工程师长期以来的技术结晶。
　　核心舱的机械臂绝对是空间站的代表作品，臂展长度达到10米，能够承载25吨，肩部位置有3个关节，同样也有肘部关节。
　　另外在机械臂的腕部位置还有3个关节，每个关节对应1个自由度，能够很好地模拟人类的手臂机械活动。
　　位于核心舱的机械臂
　　此外，空间站的柔性太阳电池翼也是一大亮点，这也是天宫空间站最明显的一个标志。
　　太阳能电池能够保证天宫空间站的持续供电，这也是柔性太阳电池翼首次应用在国内的航天器上。
　　体积小、展开面积大、功率重量比高是它的主要特性，最起码能为空间站进行十年的能源供应。
　　问天实验舱的太阳翼全部展开的长度超过55米，每侧的展开面积也超过了100平方米。
　　这还不是空间站的全部，天和核心舱还配备的4台霍尔电推进发动机。
　　要说它厉害在哪里，人类首次使用应该能够说明一切了。
　　柔性太阳电池翼工作流程脱离地球
　　不管是火箭还是空间站，想要稳定运行都需要一台优秀的发动机。
　　对于空间站来讲，即便没有处于实际飞行中，但它的运转和轨道调整也需要发动机的参与。
　　火箭发动机使用火箭推进剂作为反应物质，其中大部分为化学燃料，由此形成高速推进射流。
　　根据牛顿第三定律，想要上天，就必须突破物体自身的环境限制。
　　传统火箭的动力方式
　　与其他类型的喷气发动机相比，火箭发动机最轻，推力最大，但是推进剂的效率却是最低的，也就是比冲量。
　　最理想的化学推进剂是氢气，不过化学火箭会产生较重物质的混合物，从而降低排气速度。
　　或许单看这么一点不会有很明显的影响，但是将其放大数百倍，任何微小的影响都会带来很大的阻力。
　　关于比冲量，它的重要指标是单位推进剂的冲量。
　　它主要以每秒多少米的速度来进行衡量，例如要产生45公斤左右推力的发动机运行320秒，它燃烧所需的推进剂需要45公斤，那么比冲就为320。
　　相应的，比冲越高。提供所需比冲量的推进剂就会越少。
　　比冲量的关系图
　　但要想比冲并不容易，例如燃烧不稳定性会影响火箭发动机的推力。
　　发动机的化学燃烧过程并不是理论中的理想状态，会有非常多的因素会影响燃烧。
　　除了导致发动机运行不稳外，还可能会损坏电机，发生其他故障。
　　另外化学燃烧所使用的推进剂也必须严格选用，理想情况下，所有反应能都表现为排气的动能。
　　但实际情况是，排气过程中还会产生很多废气，废气中的分子运动会影响化学燃烧效率。
　　就化学燃烧方式来讲，越轻且原子越丰富的化学物质会越好。
　　就算以上这些问题都能够得到很好的解决，化学火箭的局限性还是太明显。
　　化学火箭的推力达到每秒10千米后几乎很难再提升，为了突破速度的束缚，科学家在上世纪设想了一种离子电推进技术，也就是今天的霍尔效应推进器。
　　离子推进器的推进剂主要由电场负责，利用霍尔效应产生的磁场来限制电子的轴向运动。
　　然后利用他们使推进剂发生电力，从而有效地加速离子产生推力，并且中和羽流中的离子。
　　数个可变比冲磁等离子体火箭推进航天器
　　离子推进器如今被证明是一种比冲极高的推进装置，它的比冲量可以达到1600秒。
　　推进剂方面则选用了氙气、氪等元素，主流选择上还是以氙气为主。
　　正如我们前面所说，氙气能够满足高原子量和低电力势。
　　另外，氙气也方便储存，在使用前不需要蒸发就能有效利用。
　　氙气的高原子量意味着每质量单位电离所消耗的能量比率低，因此也能产生更加有效地推进效果。
　　离子推进器实验装置世界首例
　　说了这么多好处，离子推进器也不是没有缺点。
　　首先是元素使用方面有限，并且很多选择都是稀有元素才能满足电离效果。
　　同时还要考虑元素衰变带来的放射性，电离后最好还不要有容易导致腐蚀的物质。
　　如果腐蚀程度太高，那么离子推进器的电极栅板容易使离子产生碰撞。
　　碰撞过程中，除了会影响运转效率，电极板也会因此遭受腐蚀。
　　所以就这块来讲，大部分离子推进器都用不了多久，原因就在于此。
　　静电离子推进器
　　综合了这些所有影响的可能和相关因素，霍尔推进器的应用在今天仍然没有得到广泛的应用，这是为什么呢？
　　虽然它的比冲确实高，不过人类今天的技术并不能搞出来推力很强的离子推进器。
　　我国天宫空间站花费科学家们多年的研究，其推力能到1牛。
　　而这已经足以让我们的技术站在世界顶端，包括美国在内的国家也没有使用这项技术应用在空间站中，可以说我们的空间站应用技术如今已经超越了过去的空间站。
　　离子推进器的解决方案
　　天和核心舱的四个离子推进器主要用于调整和维持空间站的轨道。
　　尽管它的推力不高，但在外层空间的微重力环境下，它完全可以满足任务需求。
　　从使用环境来看，目前离子推进器的主要应用集中在轨道卫星的方向控制，以及位置调整。
　　此外，我国的离子推进器着重考虑了载人任务的安全性，为了防止粒子加速带来的腐蚀问题，工程师们还专门创建了一个陶瓷屏蔽层。
　　这能够排斥有害颗粒并保证推进器的完整性，根据中科院的介绍，天宫空间站的霍尔驱动器已经连续工作了8240个小时没有出现过故障，完全符合我国空间站的使用寿命要求。
　　天和核心舱
　　目前能够将这项技术成功应用起来的国家并不多，所以我国的离子推进器完全值得我们骄傲。
　　关于离子推进器，全球范围内仍然在致力解决它的推力问题，欧洲有不少实验室在对此进行设计实验。
　　或许现在来看，空间站上的推进器有些弱小，但它充满发展潜力。
　　作为实践的第一步，离子推进器技术在中国还会得到更好的发展。