霍尔推进器：打破太阳系枷锁|原子|火箭|燃料|离子发动机|霍尔推进器

一定有很多朋友听说过离子发动机、光子发动机、霍尔推进器等等……咱们先给这些充满科幻色彩的概念划一条边界。

截至今天为止，人类所有的火箭发动机，都是依靠向外扔东西产生的反作用力获取动力，学术点说就是动量守恒定律。

现有的物理理论，对引力空间的认识水平和神棍差不多，完全不存在动量守恒之外的发动机原理。

因此在很长一段时间内，发动机还得靠扔东西产生动力，扔得越快，动力越大。
非常抱歉，混了这么多年还是牛顿第三定律。

火箭极限

所以，但凡想上天的发动机，都是围绕“如何更快地扔燃料”而设计的。比如飞机发动机，为了扔得更快，就拼命倒燃料，燃烧需要空气，于是就在发动机里装了一台抽风机。但是空气的含氧量只有20%，就算抽风机把空气压缩成液体塞到燃烧室里，其实也没多少氧气，所以燃料喷射速度并不快，只有每秒几百米，这对火箭来说简直就是塞牙缝。火箭发动机自带纯氧，燃烧当然更充分，燃料喷射速度能达到2-5km/s。可惜这么多年过去了，最好的燃料依然还是液氢液氧，想要更快，就得用炸药了。炸药的爆炸速度一般是7km/s，不过用炸药当燃料，一般人可吃不消。总的来说，如果不考虑尚未实用的全氮阴离子盐，这大概就是化学燃料的极限了。说得有点抽象，我来秀一把硬核计算。假设把20吨货送到近地轨道，不考虑空气阻力、势能和火箭干重：

若燃料喷射速度是600m/s，则需1000万吨燃料，注意，是1000万吨。这是飞机发动机的水平。若燃料喷射速度是2.5km/s，则需451吨燃料。这是当前主流火箭的及格线。若燃料喷射速度是5km/s，则需77吨燃料。接近当前化学燃料的理论极限。若燃料喷射速度是30km/s，则需6吨燃料。霍尔推进器的喷射速度。若燃料喷射速度是300km/s，仅需534公斤燃料。据说这是仅靠现有技术就能压榨出的离子发动机的全部潜力。不过理论上，只要电压足够大，离子可以无限接近光速，比如对撞机能把粒子加速到光速的99%以上，若是把这当成发动机喷射燃料的速度……把20吨货送到近地轨道，仅需532克燃料。前景算是很美好了，下面该倒苦水了。

离子发动机

你可能想不到，像离子发动机这么科幻的设备，居然在1959年NASA的考夫曼就搞出来了。

其大概原理和电磁炮差不多：先将汞注入电离室，然后电子枪注入电子，用线圈加速电子轰击汞原子制造出汞离子，汞离子呈正电，用后面正负栅板产生的电场加速喷出产生推力。在出口附近再装一把电子枪，向离子束注入电子，使其中性化，恢复成原子。不然带电离子会沾满整个航天器，发动机内部也会积累电子产生静电，各种麻烦。简单来说，前面用电子枪电离，后面用电场加速，原理一目了然。

不过考虑到推进效率和腐蚀性，现在使用的推进剂大多使用惰性气体氙。1998年美国“深空1号”彗星探测器首次将离子发动机作为主力推进系统应用在深空飞行，发动机自重只有8公斤，仅携带82千克氙就进行了20个月的飞行。

电离不一定非得用电子轰击，比如把盐扔到水中就可以得到氯离子和钠离子，还比如，微波也可以直接电离气体。2019年有个大新闻，日本隼鸟二号探测器在3亿公里外的小行星成功取样，用的就是微波离子发动机，采用微波电离。在小行星降落、采样、上升，一气呵成

离子推进器的原理和结构并不复杂，但问题也很多。比如后面正负极的加速格栅就很碍事，不但效率不行，还得经受高速离子的冲击腐蚀，对材料要求贼高。于是，大家就想起了霍尔。

相比原理单纯的离子推进器，霍尔推进器的原理就有些烧脑了，同学们看出点感觉就行。先说下霍尔效应：电流在磁场中通过时，电子或离子会横向移动，导致导体有个横向的电势差。就好像长江水流有个横向的作用力，使南岸的水位比北岸的高。这样的好处是，当电子(负电)和离子(正电)混在一起时，可以利用霍尔效应分开，做到一边电离一边加速。也就是说，霍尔推进器把电离部分和加速部分合到了一起，也就是把磁场和电场合到一起，舍弃了原先碍事的加速格栅。为了让混在一起的电子和离子各司其职，磁场和电场的设计显然更为精巧，喷口从一面筛子变成了一个环形结构。