中国空间站的重量超过50吨,飞行在距离地球表面390公里的太空。在这个高度上并非完全真空,仍然有稀薄的大气阻碍空间站的运行,如果不加控制,速度将不断衰减,轨道高度会不断下降,甚至有落回地面坠毁的危险。
比如国际空间站的轨道高度每月会下降2公里,为了保持轨道高度,国际空间站定期要通过启动轨道发动机来抬升轨道,避免掉回地球。为此,每年消耗的推进剂高达7.5吨。
中国空间站和国际空间站都需要轨道发动机,不同之处在于,中国空间站部署了4台霍尔电推进器,每台推力0.08牛,4台总推力0.32牛,用于空间站的轨道维持。
什么是霍尔推进器?霍尔推进器,是一种比较高效的离子推进器。因为基于霍尔效应的原理,所以也称为霍尔推进器。
国际空间站上使用的传统火箭发动机,无论是轨控发动机,还是姿控发动机,都是通过混合燃料和氧化剂,让它们剧烈燃烧,高速喷射出气流,从而产生动力。
而霍尔推进器的能量来源是电能,不是化学能。它也需要消耗推进剂,通常是氙气、氩气等,但这些推进剂不是用来燃烧的。
如下图所示,推进系统利用电子电离推进剂,再通过磁场产生的电场,对带电离子进行加速产生推力,并中和羽流中的离子,喷射速度可到10-80km/s,比冲1000-8000秒。
而传统火箭产生气流的速度只有2-4公里/秒,比冲200-500秒,如阿里安5火箭的液氢发动机,比冲430秒。SpaceX的猎鹰9号液氧煤油发动机,比冲273秒。
比冲又称为比冲量,是个物理参数,用来衡量火箭发动机的效率。
通俗一点说,比冲就是每单位推进剂生成的力量。对推进剂的量有两种描述方式,一种是重量描述,一种是质量描述。
如果以重量描述推进剂的量,比冲的国际单位为秒。比如,某火箭发动机的比冲为320秒,代表该火箭发动机每一千克推进剂能产生320千克推力。
比冲越高的发动机,效率就越高。目前,我国最新研制的HET-450霍尔电推进器,最高比冲达到5100秒,远高于普通火箭发动机。