大和号主炮工作原理：大国重器揭秘天和号

大和号主炮工作原理：大国重器揭秘天和号接下来为大家介绍一下它的原理吧。霍尔推进器有两个磁极，两个磁极中间有一圈空间，相当于是一条环形的沟，这个沟里面有从外向内的磁场，沟里有电极会产生电场，向沟里面扔电子，电子就会在电场的作用下掉到沟里面，在掉落的过程中又会被磁场影响，在洛伦兹力的作用下开始绕着这条沟转，越转越快，多扔点电子进去，这条沟里面就会有很多的高速转动的电子，这时候我们再把推进剂扔进去。我们现在一般用的是惰性气体——氙，氙本身不带电，这电场也加速不了它，但是它刚跳进这个沟，就会被里面的高速跑圈的这些电子撞到，一撞就撞成了等离子，带电了，在电场的作用下它们就会被加速喷出，作为工质产生了推力。因为这个电场很大，而等离子气体又很轻，所以加速的可以非常快。2021年4月29日，中国航天史上又留下了浓墨淡彩的一笔，随着“天和号”成功在近地轨道上舒张开两侧的太阳能翼板，中国第一个独立空间站的太空舱正式开始了它长达10年的飞行使命。而

你见过明明推力只有80毫牛，却能推动整个天宫空间站的黑科技吗？这样的黑科技堪称大国重器！甚至在未来能让人类离开太阳系进军宇宙，它就是霍尔推进器。那么接下来就由我来为大家科普一下，“天和号”的核心科技霍尔推进器吧！

我们都见过火箭升空的画面，那种熊熊燃烧的尾部火焰让人们记忆犹新，这种火箭是依靠化学燃料点火后喷出燃烧气体，从而产生巨大的推力。你们不知道的是，这种推进方式是钱学森先生在回国之前，在美国的NASA中研究出来的，这种推进方式就是传统的化学火箭，至今仍然被用在现在的各个运载火箭上。虽然它不过时，但存在着巨大的缺陷。

这种传统的化学火箭上限太低了，一眼就能望到头。我们先来简单解释一下火箭在太空中是如何推进的吧。在上学的时候，我们的物理课上都会教一个叫牛顿第三定律的知识点，简单点来讲就是，你如果向后推物体，你就会受力而向前运动。就像在划船是一样的道理，你往后拨船桨，船就会向前滑动。

而在太空中飞行的火箭周围是没有其它物体的，如果想向前进，就必须拿自己身上的一部分往后扔，用力把自己的一部分扔出，就会获得一个反向作用力，这就是火箭的原理。但是作用力和反作用力是相等的，如果想让火箭飞得更远，那就必须要扔更多的物体，要想让火箭飞得更快，那就得以更快的速度扔物体，这就是我们现在常用的一般的化学火箭运行原理。我们人类从发明火箭到现在，一直都是用这个老方法，更新换代也只不过是装载了更多的燃料，并且想办法以更快的速度扔出罢了。总有一天，人类在这一条路上将会走到尽头。

我们的火箭利用率实际上非常的低，就拿现有的最大的火箭“土星五号”来说吧，还未点火起飞时总重量共有3000多吨，但是经过燃烧，推进，扔货，最后到达月球时就只剩45吨的一小部分了，相当于有效荷载只有可怜的1.5%。如果将来人类想要发射一个重达100多吨的空间站到地球同步轨道上，那么火箭本身的自重就要达到10000吨左右，目前的所有的火箭发动机根本就飞不起来。

不光如此，火箭的飞行速度也是一道难关，这方面就需要靠发动机的发展了，但是即使现在最快的火箭发动机，最快也只能勉强达到5千米每秒，再快基本就很难实现了，就算是未来人们的科技有了新的发展，在理论上最快也只能达到10千米每秒，就这还只是发动机燃料喷射速度，还不是火箭的飞行速度，还要计算阻力和损耗，就以这样的速度，人类到达除了火星之外的行星都够呛。即使是火星，到现在人类想要去一趟也要花费将近十个月的时间，就是因为燃料有限，只能让它慢慢地飘过去，时不时地用燃料推进一下。这些种种因素都是人类进军宇宙的绊脚石，简直是一眼就能看到极限，传统化学火箭的未来就是这么绝望！如果人类想要走出太阳系，进军宇宙的话，这种传统的化学火箭是必须要淘汰的。

而将要取代传统化学火箭的，就是离子发动机的衍生物——霍尔推进器。相信大家对霍尔这个名词有点熟悉吧，没错，这也是在上学的时候，物理老师讲过的——霍尔效应。如果你还是想不起来，那我再提示一下，霍尔效应是使用左手定则判断的，还有霍尔效应传感器。1879年，美国物理学家霍尔在实验室中发现，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个断面之间会出现电压，这个电压叫做霍尔电压，而这个现象就叫做霍尔效应。霍尔推进器就是霍尔效应的衍生物。

2021年4月29日，中国航天史上又留下了浓墨淡彩的一笔，随着“天和号”成功在近地轨道上舒张开两侧的太阳能翼板，中国第一个独立空间站的太空舱正式开始了它长达10年的飞行使命。而伴随他左右的是四台全国产的的LHT—100霍尔推进器，这四个离子推进器将会在这漫长的岁月里陪伴它，并且保证它不会从近地轨道上跌落。并且在他与另外几个空间站的舱位对接时，要帮助它更好地工作。这种黑科技单个只能产生80毫牛的推力，却一点都不比现有的国际空间站的推进器的推力差，甚至有过之而不及。

接下来为大家介绍一下它的原理吧。霍尔推进器有两个磁极，两个磁极中间有一圈空间，相当于是一条环形的沟，这个沟里面有从外向内的磁场，沟里有电极会产生电场，向沟里面扔电子，电子就会在电场的作用下掉到沟里面，在掉落的过程中又会被磁场影响，在洛伦兹力的作用下开始绕着这条沟转，越转越快，多扔点电子进去，这条沟里面就会有很多的高速转动的电子，这时候我们再把推进剂扔进去。我们现在一般用的是惰性气体——氙，氙本身不带电，这电场也加速不了它，但是它刚跳进这个沟，就会被里面的高速跑圈的这些电子撞到，一撞就撞成了等离子，带电了，在电场的作用下它们就会被加速喷出，作为工质产生了推力。因为这个电场很大，而等离子气体又很轻，所以加速的可以非常快。

是不是听得头疼，听不懂？简单来讲，那就是利用强磁场和电场运作的，不需要用到太多的化学燃料，不用任何化学反应，直接用电能喷射出的离子而获得动力，非常节能环保，也容易操作。

与常规的化学火箭推进器相比，霍尔推进器无疑会更受人们的青睐，如今它已经成为了世界各国发展航天领域的首要技术目标。但迄今为止，也仅仅只有几个航天科技比较发达的国家，才堪堪具备研发出牛级霍尔推进器的能力，当然了，咱们中国必须算一个！

牛级霍尔推进器是什么？就是能将物体推动1牛顿的力的推进器。一牛顿就相当于100克的重物的重力，也就堪堪一点儿泡面的重量。不要小瞧这点力，这点推力看似微不足道，但是它的真正的作用，是修正空间站的轨道，以防止空间站受到大气摩擦的影响，而降低飞行高度，从而坠毁的情况。我们都知道，太空一直都是真空状态，没有阻力和摩擦力，只要有一点点的力就可以推动非常庞大的物体。比如说卫星，当卫星在近地轨道上进行活动时，只要有1牛顿的推力就能让卫星获得非常巨大的机动能力。在太空中，我们可以很轻松地做到“四两拨千斤”。

我国此次送上天的“天和号”太空舱，是由我国航天科技集团第801研究所自主研发的，全国产化的黑科技。它最大的亮点就是比冲高。一般的氢氧火箭发动机，比冲基本上都不会超过500秒，比如YF77火箭发动机的比冲为428秒，而霍尔推进器的比冲却能达到3000秒以上，简单的理解就是，哪一个比冲比较高，哪一个维持的飞行时间就更长，且飞行的距离越远。推重比越久越大。霍尔推进器的高比冲使得发动机自身只要点火几秒，就能达到高速或者改变轨道的效果。

介于传统化学火箭与霍尔推进器之间的就是一般的离子推进器了。离子推进器的本质就是利用电磁场的作用将带电的离子沿一个方向进行加速，最后再以很高的速度喷射而出，从而形成推动力。其中理智的喷射速度可以达到20~50km每秒，而普通的燃料喷射推动器的推力最多只能达到5km每秒的速度，这样就极大的节约了使用燃料的花费。但是离子推进器也有着很明显的缺点，它的内部的正负极加速格栅会导致它的整体效率变得很低，此外，它对应用材料的要求也很苛刻，因为它非常容易被离子轰击腐蚀，于是人们就不约而同地开始使用霍尔推进器，因为霍尔推进器利用了“霍尔效应”，将电离子和加速这两个步骤结合在了一起。这就省去了加速格栅这个部分，从而增强了效率和耐用度，这样设计出来的推进器不仅性能上有所提升，就连成本也大大地节约了不少。

至于太空中的能源消耗方面，这又是一大亮点，我们都知道，霍尔推进器是要耗电的，无需使用庞大的燃料，只要随时补充电能就可以持续工作。相信大家对于“天和号”张开两边的太阳能翼板的场景并不陌生，相较于传统的刚性太阳能电板相比，此次的太阳能电板被设计成可以折叠起来的柔性支架，平时不用时只需要收缩在舱体的两侧，需要充电时，全部展开足足有134平方米那么大，除了提供给天和号本身的供电需求之外，搜集到的电能完全可以满足霍尔推进器的用电需求。

当然，最为核心的技术，那就是在宇宙中的行驶速度了。就以人类第一次登月的阿波罗号为例，从地球到月球整整花了3天时间，但如果严格来算的话，该发动机只工作运行了1000多秒，然后就耗尽了燃料，只能靠惯性飘到月球，还有火星的旅行者，10个月的时间，真正工作的只有区区10分钟，其他时间一直都是无动力的漂流状态，但是换成霍尔推进器就不一样了，我们就按照1牛的推力来计算，给有1000吨重的飞行器带来的只有小于0.01厘米每秒平方的速度，过一星期就可以达到地球上火车的运行速度了，并且时间越长，速度就越大，这相较于普通的化学火箭推进器来说，简直就是降维打击！

你们在看各种科幻片的时候，看到那些宇宙飞船尾部幽蓝色的火焰了吗？那就是霍尔推进器所产生的火焰。霍尔推进器将来要研究的方向，就是无限地把它的推力放大，直到有一天真的如同科幻电影一般，不依靠传统的化学燃料起飞，直接用霍尔推进器一飞冲天，遨游宇宙！这样的大国重器你们爱了吗？

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