我國大功率霍爾電推進技術獲得重大突破！據多家權威媒體報道，航天科技集團五院510所研發的HET-450單通道霍爾推力器，在地面試驗中最大推力達到了4.6牛（以氙為工質），最大功率達105千瓦。當以氪為工質時，最高比衝超過了5100秒，達到了國際先進水平。
HET-450單通道霍爾推力器
要知道目前世界上推力最大的霍爾推進器是美國的X3，是三通道設計，最大推力為5.4牛，最大功率102千瓦。從資料上看，HET-450霍爾推力器的推力只比美國的X3少了0.8牛，處於同一量級。至於5100秒的最大比衝，是液氫液氧火箭發動機的十幾倍，只能用“逆天”來形容。
HET-450霍爾推力器試驗時的情景
不知道大家有沒有注意到，這臺國內最強霍爾電推還只是單通道設計，推力就已經於美國三通道的X3相當。那麼這裡的“單通道”和“三通道”都是什麼意思呢？4.6牛的推力到底是大還是小？要知道一瓶容量為500ml的礦泉水， 重力就有4.9牛，也就是說4.6牛的最大推力在地面上還不足以舉起一瓶礦泉水，為何仍說它是重大突破呢？
原來，霍爾電推是一種另類的航天動力裝置，另類到帶有一絲科幻色彩。4.6牛的最大推力雖然舉不動一瓶水，與動輒百噸的火箭發動機不能比，卻已經是妥妥的國際先進水平。因為霍爾推進器的特點就是推力小、比衝高，常見型號的推力大都是幾十毫牛的量級，能達到牛級就非同小可，達到4.6牛已經是逆天神器了！
略帶科幻色彩的霍爾推進器
這是因為具備如此推力的霍爾推進器，能讓航天器如虎添翼，極大地提高其效能和壽命。要想搞清楚這件事，就不得不說說霍爾電推的原理。霍爾電推是離子推進器的一種，與普通的火箭發動機向後噴燃氣不同，離子推進器噴出來的是離子，這些離子經過電磁場加速後，具備了極高的速度，能達到20~50公里/秒，向後噴出後即產生了推力。
由於離子的速度極高，所以比衝很大，通俗點兒說，就是消耗單位質量的工質達到的速度增量更大！例如獵鷹9號使用的液氧煤油發動機，比衝只有273秒左右，阿里安5火箭芯級的液氫液氧發動機，真空比衝約430秒。HET-450霍爾推力器的最大比衝5100秒，這就意味著要達到同樣的速度增量，HET-450消耗的工質只有氫氧發動機的十幾分之一。
火箭發動機的組比衝遠不如霍爾推進器
這樣一來，航天器攜帶的燃料就可以大大減少，或攜帶同樣燃料下的工作壽命可大大延長。不過，由於噴出來的離子質量很小，所以推力也很小，只有牛頓或者毫牛量級。因此，想用霍爾電推來讓火箭起飛是不可能的。但小推力也有小推力的用武之處，例如衛星或空間站的軌道保持，以及深空探測。
對於執行在近地軌道的衛星或空間站，由於存在非常非常稀薄的大氣分子，航天器與稀薄大氣產生摩擦，會損失能量，導致軌道高度越來越低。為了抵消這種效果，需要定期開啟推進器，提升軌道高度，防止它墜入大氣層燒燬。
這項任務可以用自身的或與之對接的飛船上的推進器來完成。由於軌道高度的下降速度極其緩慢，對時間視窗的要求沒那麼嚴格。我們可以選擇用大推力的推進器工作較短的時間，也可以用小推力的推進器工作較長的時間，效果差不多。
空間站需要定期抬高軌道
這時離子推進器高比衝的優勢就顯現出來了，它消耗的燃料（工質）遠小於火箭發動機，因此大大提高了衛星的壽命，並可減少空間站的燃料補給需求，降低補給頻次，進而節省大量真金白銀的經費，例如我國天宮空間站就裝備了4臺霍爾推進器用於軌道保持，馬斯克的星鏈衛星，裝備的也是霍爾發動機。
離子推進器與火箭發動機相比，就如同長跑和短跑運動員的區別。火箭發動機就像是一位強悍的短跑運動員，可以在極短時間內以極高的速度賓士，但卻消耗極大，後勁不足，跑一會兒就沒力氣了。離子發動機卻像一個長跑運動員，雖然跑得不快，但貴在持久，慢悠悠地一直跑，像馬拉松比賽可以跑出幾十公里。
我國空間站上的霍爾離子電推和化學發動機
在前往太陽系遙遠行星的深空探測中，離子推進也大有用武之地。雖然推力小，但經過長時間工作後，依然可以把航天器加速到很高的速度。我們不妨假設在太空中有一個4.6噸重的飛船，裝上1臺4.6牛推力的離子推進器從0開始加速，並且忽略因燃料消耗而減輕的質量。
雖然看上去這樣的加速會很慢，但如果持續加速1天，它的速度將達到86.4米/秒，如果持續加速一年，速度將超過31公里/秒，這個速度遠遠高於能飛出太陽系的第三宇宙速度，是非常恐怖的。我們還可以安裝多臺離子推進器，以進一步提高加速度。日本的隼鳥號小行星探測器裝備的離子發動機推力僅28毫牛，卻足以使它完成探測任務。
日本隼號號的離子發動機僅28毫牛
需要注意的是，離子推進器攜帶的推進劑實際上並不是“燃料”，而是工質，它的能源來自電力，需要有強大的電源供電。像空間站或隼鳥號這種距離太陽不算太遠的航天器，用太陽能電池板發電，很完美！如果要前往遠離太陽的深空，那就得用核電池或更大功率的核反應堆電源了。
離子推進器的概念是世界航天界的先驅——羅伯特·戈達德於1906年提出的，從上個世紀60年代開始，美國和蘇聯開始真刀真槍的研究離子電推，但卻走了兩條不同的路線，美國走的是用電場直接加速的離子推進器，例如下面這種靜電式離子推力器：
一種靜電式離子推力器的原理
這種推進器用電子槍發出電子，將工質氣體電離，在後方放置兩塊打了無數小孔的正負柵板，離子穿過柵板時被電場加速向後噴出，產生推力。只要正負柵板之間的電壓足夠高，離子就可以被加速到很高的速度。
這種離子推進器看似簡單，後面那兩塊正負柵板卻很不好做，對製造和材料要求極高，並且還存在空間電荷限流問題，影響了推力的進一步提高。1964年，美國的SERT 1衛星首次進行了離子推進器在軌試驗。1998年的深空一號更是首次將離子發動機作為主動力裝置。
而蘇聯卻選擇了霍爾推進器的路線。雖然同樣是噴射離子，但霍爾推進器顧名思義是利用了物理學中的霍爾效應。它採用環形噴口和放電室，作為陰極的電子槍在噴口外發射電子，電子沿軸向電場向陽極運動，同時在徑向磁場作用下，由於霍爾效應而產生感應電壓，開始環向旋轉。
霍爾推進器的原理
這些旋轉的電子與從陽極附近噴出的氣體（氙氣、氪氣等）激烈碰撞，使氣體電離，電離後的離子在電場作用下向後加速噴出，產生推力。霍爾推進器的推力密度可以做得比前面那種靜電式離子推進器更高。由於霍爾電推的優良效能，美國人後來也開始重視它，開展了大量研究。
目前世界上推力最大的霍爾推進器就是美國的X3，是密歇根大學與NASA和美國空軍聯合開發的。它的特別之處在於使用了巢狀式的設計，將三個推力器以同心圓方式套在一起，同時產生推力。因此我們能看到X3有三個環狀噴口。正是這種設計才讓X3達到了5.4牛的最大推力，成為世界範圍內的佼佼者。
美國密歇根大學的X3霍爾推進器
這種方式就是所謂的三通道。而我國的HET-450霍爾推力器，4.6牛的推力雖然略遜於X3，卻是單通道的設計，也就是隻用了一套放電推進裝置就產生了與X3幾乎相當的推力。讓我們大膽猜測一下，假如HET-450將來也能夠實現多機巢狀的話，推力還會更高，有較大的可能性超過X3而拔得頭籌。
HET-450一個通道就實現了4.6牛
因此，HET-450在最大推力這個單一指標上是比X3差了一丟丟，但在技術上很難說就一定落後，仍然是一臺前途無量的逆天神器，是貨真價實的重大突破，非常值得慶賀！它的試驗成功，對我國未來的衛星、空間站和深空探測任務都是一個重大利好。
