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霍尔推进器原理演示（霍尔效应推进器）
霍尔推进器原理演示（霍尔效应推进器）
2024-05-29 07:50:37  作者:喜你无常  网址:https://m.xinb2b.cn/life/qxo105958.html

在航天器推进中，霍尔效应推进器 (HET)是一种离子推进器，其中推进剂由电场加速。霍尔效应推进器（基于Edwin Hall的发现）有时被称为霍尔推进器或霍尔电流推进器。霍尔效应推进器利用磁场来限制电子的轴向运动，然后利用它们电离推进剂，有效地加速离子产生推力，并中和羽流中的离子。霍尔效应推进器被归类为中等比冲（1,600 秒）空间推进技术。

霍尔推进器原理演示（霍尔效应推进器）(1)

霍尔推进器

霍尔推进器使用多种推进剂，最常见的是氙气和氪气。其他感兴趣的推进剂包括氩、铋、碘、镁、锌和金刚烷。

霍尔效应推进器的应用包括控制轨道卫星的方向和位置，并用作中型机器人航天器的主推进发动机。

霍尔推进器是在美国和苏联独立研究的。它们于 1960 年代初在美国首次公开描述。然而，霍尔推进器首先在苏联被开发成一种高效的推进装置。在美国，科学家们专注于开发网格离子推进器。

工作原理

霍尔推进器的基本工作原理是它利用静电势将离子加速到高速。在霍尔推进器中，吸引负电荷由推进器开口端的电子等离子体提供，而不是由网格提供。大约 100–300 G (0.01–0.03 T ) 的径向磁场用于限制电子，其中径向磁场和轴向电场的组合导致电子在方位角漂移，从而形成霍尔电流，霍尔电流由此产生设备得名。

霍尔推进器原理演示（霍尔效应推进器）(2)

霍尔推进器

霍尔推进器的示意图显示在相邻的图像中。在阳极和阴极之间施加 150 到 800 伏的电势。

中心尖刺形成电磁铁的一个磁极，并被一个环形空间包围，围绕该磁极的是电磁铁的另一个磁极，其间具有径向磁场。

推进剂，例如氙气，通过阳极供给，阳极上有许多小孔，用作气体分布器。随着中性氙原子扩散到推进器的通道中，它们通过与循环的高能电子（通常为 10-40 eV，或约 10% 的放电电压）碰撞而电离。大多数氙原子被电离为 1 的净电荷，但有一部分（~20%）具有 2 的净电荷。

然后氙离子被阳极和阴极之间的电场加速。对于 300 V 的放电电压，离子在 1,500 秒 (15 kN·s/kg) 的比冲下达到约 15 km/s (9.3 mps) 的速度。然而，在离开时，离子会拉动相同数量的电子，从而产生没有净电荷 的等离子体羽流。

径向磁场的设计强度足以使低质量电子显着偏转，但不能偏转高质量离子，后者具有更大的回转半径并且几乎不受阻碍。因此，大多数电子被困在推进器出口平面附近的高径向磁场区域中，被困在E × B（轴向电场和径向磁场）中。电子的这种轨道旋转是一种循环霍尔电流，霍尔推进器正是由此而得名。与其他粒子和壁的碰撞，以及等离子体的不稳定性，使一些电子从磁场中释放出来，它们向阳极漂移。

大约 20-30% 的放电电流是电子电流，不产生推力，从而限制了推进器的能量效率；其他 70-80% 的电流在离子中。由于大部分电子被困在霍尔电流中，它们在推进器内的停留时间很长，并且能够电离几乎所有的氙气推进剂，从而可以大量使用 90-99%。因此，推进器的质量使用效率约为 90%，而放电电流效率约为 70%，组合推进器效率约为 63%（= 90% × 70%）。现代霍尔推进器通过先进的设计实现了高达 75% 的效率。

与化学火箭相比，推力非常小，对于在 300 V、1.5 kW 下运行的典型推进器而言，其推力约为 83 mN。与所有形式的电动航天器推进一样，推力受到可用功率、效率和比冲的限制。

然而，霍尔推进器以电力推进的典型高比冲量运行。与网格离子推进器相比，霍尔推进器的一个特别优势是离子的产生和加速发生在准中性等离子体中，因此没有Child-Langmuir 电荷（空间电荷） 饱和电流限制推力密度。与网格离子推进器相比，这允许更小的推进器。

另一个优点是这些推进器可以使用供应给阳极的更多种推进剂，甚至是氧气，尽管阴极需要一些容易电离的东西。

推进剂

氙气一直是许多电力推进系统（包括霍尔推进器）的典型推进剂选择。氙气推进剂因其高原子量和低电离势而被使用。氙气相对容易储存，作为一种在航天器工作温度下的气体，在使用前不需要蒸发，这与铋等金属推进剂不同。氙的高原子量意味着每质量单位电离所消耗的能量比低，从而产生更有效的推进器。

氪是霍尔推进器的另一种推进剂选择。氙的电离电位为 12.1298 eV，而氪的电离电位为 13.996 eV。这意味着利用氪的推进器需要消耗稍高的每摩尔能量来电离，这会降低效率。此外，氪是较轻的离子，因此与氙相比，单位电离能的单位质量进一步降低。然而，每公斤氙气的价格可能是氪的十倍以上，这使得氪成为建造像SpaceX的Starlink这样的卫星星座的更经济的选择，其霍尔推进器以氪为燃料。

应用

自 1971年12月苏联在一颗流星卫星上发射 SPT-50 以来，霍尔推进器一直在太空中飞行。自那时以来，已有超过 240 台推进器在太空中飞行，成功率达 100%。霍尔推进器现在通常在商业LEO和GEO通信卫星上飞行，用于轨道插入和站位保持。

SpaceX Starlink星团的许多小型卫星使用氪燃料霍尔推进器来保持位置和脱离轨道。

天宫空间站装有霍尔效应推进器。天河核心模块由化学推进器和四个离子推进器推进，用于调整和维持空间站的轨道。根据中科院表示，天宫所用的离子驱动器已连续燃烧8240小时无故障，符合中国空间站规定的15年寿命。这是世界上第一个执行人类任务的霍尔推进器。

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