流浪地球里的那種推進器 中國有了個可以載入史冊的大突破
《環球時報》前幾天用《大突破！贊就完事了》這個標題，來報道中國航天1牛頓霍爾效應電推力器點火成功的消息。
這個事兒，很多網友在評論區表示不明覺厲，我們今天就詳細解釋一下，讓大家能贊得踏實，再贊個通透。
霍爾效應電推力器本質上也是一種火箭發動機，屬于電火箭發動機的范疇。
流浪地球里的行星發動機
火箭機推進最重要的指標是什么？是一種叫比沖的玩意兒。我們知道，在中學物理當中有叫做動量守恒的概念，對于火箭來說，往后噴出去多少動量，自己就得到了多少動量。這就是火箭推進的基本原理，偉大的齊奧爾科夫斯基公式就是這么來的。動量的計算方法是質量乘以速度。也就是說，火箭噴出去的物質乘以噴射速度就是動量。火箭要是想飛得快，有兩個辦法，一個是多噴點東西，二個是噴快一點。顯然，噴快一點的選擇比較理想。因此，人們建立了一個叫做比沖的概念，也就是說，把一千克的推進劑變成燃氣噴出去，能產生多少沖量——中學物理還說了，沖量等于動量。喜愛物理的人們一算就會發現，比沖的單位和速度不是一樣的嗎？沒錯，比沖乘以重力加速度就等于火箭噴氣的流動速度。
那么問題就容易解決了，要想火箭飛得快，就得能噴，使勁噴！
人類噴了幾十年，終于無奈地發現一件事，噴得最快的燃料組合，也不過就是液氫和液氧，噴射速度可以達到每秒3500米左右。看起來這個數字很不錯，但是考慮到火箭自己還有龐大的金屬結構、電子系統、要運載的衛星……如果是載人飛行，還要加上人的肉身和呼吸用的空氣，維持生命用的飲水、食物，3500這個數字太可憐了。
如果我們要帶著地球流浪到比鄰星去，液氫液氧是一點可能性都沒有的。大家等死吧。
然而，電火箭發動機或許可以做到。用電場和磁場把離子和電子加快到極高的速度，從噴管噴射出去。雖然這些微觀粒子的質量很小，但速度極快，同樣可以實現很高的比沖。
美國研制的離子推力器
我們現在最常討論的是所謂霍爾效應電推力器和離子推力器。所謂霍爾效應，是1879年美國物理學家霍爾在研究半導體的時候發現的。閑話少說，它的噴射速度有多少呢？可以達到每秒10000米以上，最高可以達到每秒80000米！離子推力器的比沖同樣是這個規模，而且這種技術就是齊奧爾科夫斯基本人提出的。用這樣幾十倍于液氫液氧的噴射速度，把地球推走，還是有希望的。
然而電火箭發動機現在的最大問題，就是推力不足。無論霍爾推力器還是離子推力器，眼下都只有“推動一張紙”的能力。絕大多數電火箭發動機的推力，都只能用毫牛頓來衡量。
日本隼鳥2號小行星探測器如今正在向地球返航。它的離子推力器號稱當今世界上最先進的型號之一，那么推力有多少呢？只有29.56毫牛。美國波音公司用在702衛星平臺上的離子推力器更強大一些，推力達到了165毫牛之多！
俄羅斯更喜歡搞霍爾推力器，他們出口的SPT-100推力器是國際宇航市場上的搶手貨。它的推力高達83毫牛，真是了不起。
SPT-100推力器
嗯！等一下，我們不是在討論一種一牛頓的發動機嗎？那不就是1000毫牛嗎？
電火箭發動機和新能源汽車一樣，都要面對電動力系統的普遍性問題，那就是能量密度低。要達到同樣的功率，化學燃燒所需要的設備質量和體積，要比電力系統少得多。我們用一個小小的打火機就能發出明火，要是用電力實現同樣大小的火焰，需要的發電、輸電、用電設備比打火機龐大多了。電火箭發動機面臨的問題也一樣。數十年來，科學家和工程師們致力于縮小用電設備體積和重量，用盡量小、盡量輕的推力器實現盡量高的推力。而一牛頓是個決定性的里程碑，意味著中國可以制造飛行速度更快、航程更遠的星際飛行器。我們很難說這是萬里長征的第幾步，但把它寫進共和國乃至人類文明的史冊里，是完全有必要的。
這里還有一件事情要強調說明，中國的1牛頓推力器功耗達到20千瓦。用這么大功率才實現了1牛頓推力，聽起來挺遜的。但我們在討論航天，能用宇航產品的重量和體積要求實現20千瓦的用電功率，哪怕只是個電爐子，也是了不起的成就。
下面的問題，就是怎么讓1牛頓推力器上天了。衛星和飛船上只能用太陽能電池發電，不可能帶一個燃煤發電廠上天。所以，今天的電火箭發動機的推力都很小，必須用化學火箭送進太空以后才能發揮作用。我們能想到什么辦法呢？沒錯！和劉慈欣想的一樣，用核反應堆。核反應堆在宇宙里比在地面上更有應用優勢，首先是散熱問題不用太擔心，其次是輻射問題不用太擔心，只要不燒壞自己就行了。
當然，1牛頓還不夠把地球推到比鄰星去。那么，我們是不是可以期待一下，10牛頓推力器什么時候可以點火呢？
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