【科学|不用燃料剂，改用电推进，天宫空间站的科幻推进器是怎么工作的？】本文参加百家号 #科学了不起#系列征文赛 。
天宫空间站是中国自主研发建设的大型空间站 ， 预计会在2022年前后建成 ， 天宫空间站的建造标志着中国的航天事业从此迈入了“空间站”的时代 。
这个可以长期驻留3人的大型空间站涉及到了很多先进的航天技术 ， 而其中最具有科幻色彩的莫过于它的推进器了 。 天宫空间站使用了先进的电推进技术 ， 这种电推进器从外观上看起来极具科幻色彩 ， 像极了科幻电影中宇宙飞船上的装备 ， 那么到底什么是电推进呢？我们还是要从头说起 。 与电推进相对应的就是传统的化学动力推进器了 ， 我们将火箭送上天 ， 使用的就是这种方法 ， 而且在可预见的未来很长一段时间里 ， 我们仍然要采用这种方法将地球上的东西送到太空中去 。 从物理学上来讲 ， 化学动力就是通过燃烧推进剂 ， 向后抛出物质 ， 火箭向后施加了一个作用力 ， 就必然会受到一个大小相等方向相反的反作用力 ， 于是 ， 火箭就飞上天了 。
化学动力推进虽然一直在使用 ， 但它的弊端却是一目了然 ， 我们都看过火箭升空的视频资料 ， 那可真是非常壮观 ， 然而壮观是壮观 ， 但在壮观的外表之下 ， 真正被送上太空的东西却是少之又少 。
一个火箭有多重呢？以中国的长征5号B运载火箭为例 ， 它的起飞重量达到了837.5吨 ， 这可真是一个大家伙 ， 那么这个大家伙能够把多少东西带上天呢？它的近地轨道运载能力大概在22吨左右 。 这就相当于一个200斤的壮汉 ， 最多只能够携带小半个西瓜出门 。 化学动力火箭的运载能力为何如此不堪？其实这也是没有办法的事情 。 任何拥有质量的物体都具有引力 ， 而地球是一个质量很大的家伙 ， 它的质量约为5.965X10∧24千克 。
地球这么重 ， 引力自然小不了 ， 所以要到太空中去 ， 就必须先要摆脱地球引力场的束缚 ， 而要摆脱一个引力场的束缚 ， 就必须要达到一定的速度 。
比如要使物体进入近地轨道 ， 那么就必须要达到第一宇宙速度 ， 也就是每秒7.9千米 ， 为了达到这个速度 ， 就必须要在火箭之中装载大量的化学推进剂 ， 然后通过燃烧这些推进剂来产生高速射流 ， 进而产生推力 ， 使得火箭能够在很短的时间内达到很高的速度 。 这些推进剂在燃烧产生推力的同时 ， 自身也在这个过程中被快速地消耗掉了 ， 于是火箭的重量就减轻了 ， 升空的速度也就变得更快 ， 在一边飞一边扔的过程中 ， 火箭就达到了进入近地轨道所需要的速度 。 所以火箭虽重 ， 但都是可以被消耗和扔掉的东西 ， 真正能够带上天的是少之又少 。
正是由于化学动力推进存在着如此明显的缺点 ， 所以科学家们一直在研究其它的推进方式 ， 于是乎电推进就应运而生了 。
电推进的核心原理与化学动力推进器是一样的 ， 都是依靠向后扔东西 ， 从而产生反作用力来加速 ， 只不过扔的东西不同而已 。 目前主流的电推进器有三种：电磁式推进器、电热式推进器和静电式推进器 ， 而其中最有名气的就是静电式推进器了 ， 它的典型代表就是霍尔推进器 。 那么霍尔推进器的工作原理是怎样的呢？它向后扔的是什么 ， 又是怎么扔的呢？
1879年 ， 物理学家霍尔发现 ， 当电流垂直于外磁场通过半导体时 ， 垂直于电流和磁场的方向会产生一个附加电场 ， 进而在半导体的两端就会产生一个电势差 ， 这一现象被称之为霍尔效应 。 如果你不太明白霍尔效应是怎么回事 ， 也不要紧 ， 记住就好 。
霍尔推进器是一个能够产生霍尔效应的装置再加上一个发射电子的电子源 ， 电子源发射出的电子会因为霍尔效应而形成一个环状的电子束 ， 此时只需要向霍尔推进器中输入少量的氙气 ， 环状电子束中高速运动的电子就会使氙气发生电离 ， 电离后的氙离子会在磁场的作用下向后喷出 ， 从而产生推力 。
现在问题很明显了 ， 霍尔推进器向后扔的就是离子 ， 而扔的方式就是通过霍尔效应 。 很显然 ， 因为向后喷射的只是电离后的离子 ， 所以只需要非常少量的推进剂就可以持续工作很长的时间 。 不过霍尔推进器单位时间内扔出的离子是有限的 ， 所以推力不大 ， 一般只有几牛 ， 如果是在地球上 ， 恐怕连一本书也推不动 ， 所以我们并不能指望电推进可以带着火箭上天 。 但将它应用于空间站或其它已经处于太空之中的航天器 ， 还是可以的 。 因为宇宙几近真空 ， 所以只需要非常微小的推力 ， 就可以通过不断累加使得航天器拥有很高的运行速度 。
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