自今年四月發(fā)射升空以來，重達(dá)22.5噸的天和核心艙已經(jīng)在太空中飛行了大約半年的時(shí)間。目前，三艘飛船對接于天和核心艙，分別是天舟二號、天舟三號以及神舟十三號，空間站上面還生活著三位航天員。

在天和核心艙上，配備了26臺發(fā)動(dòng)機(jī)，它們?nèi)紵亩际腔瘜W(xué)燃料。除此之外，中國空間站還第一次用上了霍爾推進(jìn)器，共有4臺，每臺的推力為80毫牛，4臺發(fā)動(dòng)機(jī)總共能產(chǎn)生0.32牛的推力。

相比之下，一枚普通雞蛋的重量為500毫牛（0.5牛）。如果把天和核心艙上的4臺霍爾推進(jìn)器安裝在一枚雞蛋下方，它們產(chǎn)生的推力都無法把雞蛋推離地面。單臺發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力只夠推動(dòng)一枚硬幣或者一張紙。既然如此，為什么要在重達(dá)數(shù)十噸的空間站上，安裝推力如此之小的發(fā)動(dòng)機(jī)呢？

早在1000多年前的宋朝，我國古人制造出了最早的火箭雛形。自那之后，一直到如今用于發(fā)射人造衛(wèi)星、載人飛船、星際探測器的火箭，仍然還是使用化學(xué)燃料。通過燃料的燃燒，發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)，噴射出高速氣流，來推動(dòng)火箭對抗地心引力的作用，飛上太空。

為了讓航天器沖出大氣層，進(jìn)入軌道，并在軌道上長期飛行，需要達(dá)到每秒數(shù)公里的速度。因?yàn)榈厍蚴莻€(gè)球體，雖然有重力作用，但如果航天器有一個(gè)足夠快的水平速度，它們就能避免撞上地面，一直飛越彎曲的地球表面，繞著地球飛行。根據(jù)牛頓力學(xué)計(jì)算，這個(gè)速度為每秒7.9公里，這就是航天器繞行地球所需的第一宇宙速度。

由于地心引力的作用很強(qiáng)，要讓航天器加速到第一宇宙速度不是一件容易的事情，需要火箭產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的推力。于是，火箭只能攜帶大量的燃料和氧化劑，常見的包括液氫-液氧、煤油-液氧、鋁粉-高氯酸銨。

然而，火箭的推進(jìn)劑不是加得越多越好，還要考慮到效率問題。根據(jù)齊奧爾科夫斯基火箭方程，火箭的速度增量（Δv）與質(zhì)量比（火箭初始總質(zhì)量m0與消耗燃料后余下的質(zhì)量m1之比）呈對數(shù)關(guān)系，隨著推進(jìn)劑的增加，速度增量會越來越少。

火箭的速度每增加1倍，攜帶的推進(jìn)劑就要隨之增加10倍。速度增加2倍，推進(jìn)劑就要增加100倍。因?yàn)橥七M(jìn)劑過多，火箭產(chǎn)生的推力大都浪費(fèi)掉了，很大一部分被用于加速推進(jìn)劑本身。

火箭的推進(jìn)劑重量占到總重量的80%至90%，有效載荷的比重較低。發(fā)射天和核心艙的長征五號B運(yùn)載火箭，其起飛重量達(dá)到了837噸，天和核心艙的質(zhì)量占比僅為2.69%。當(dāng)年用于發(fā)射阿波羅載人登月飛船的土星5號火箭，其起飛重量高達(dá)3038噸，其有效載荷比只有4.33%。

化學(xué)火箭的能源利用效率很低，最快的氣流噴射速度也只有大約5公里/秒，火箭的比沖（沖量與推進(jìn)劑質(zhì)量之比）決定著火箭的飛行距離和加速能力。現(xiàn)如今，化學(xué)火箭的發(fā)展幾乎快要達(dá)到天花板，很難再有重大突破。

人類需要更高比沖的發(fā)動(dòng)機(jī)，霍爾推進(jìn)器應(yīng)運(yùn)而生。這是一種離子推進(jìn)器，與燃燒燃料的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)完全不一樣。雖然霍爾推進(jìn)器也需要推進(jìn)劑，但不是用于燃燒。

在霍爾推進(jìn)器中，通過霍爾效應(yīng)，電子等離子體發(fā)射出電子。這些帶負(fù)電的粒子經(jīng)由磁場加速后，撞擊推進(jìn)劑，目前用得比較多的是氙氣。當(dāng)高能電子撞擊中性的氙原子時(shí)，它們會發(fā)生電離，釋放出一到兩個(gè)電子，成為+1價(jià)或者+2價(jià)的氙離子。

在幾百伏電場的加速作用下，氙離子可以被加速到15至30公里/秒，最快甚至可以高達(dá)80公里/秒。當(dāng)氙離子高速噴出時(shí)，它們會吸引相同數(shù)量的電子，產(chǎn)生沒有凈電荷的等離子體羽流。

霍爾推進(jìn)器的效率一般可達(dá)50%，最高甚至可達(dá)75%，其比沖遠(yuǎn)高于常規(guī)的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。但要論推力，霍爾推進(jìn)器遠(yuǎn)小于化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，前者通常是毫?；蛘吲＜墑e，而后者是千牛級別。

雖然霍爾推進(jìn)器的推力很小，在地球上只能推得動(dòng)一枚硬幣，或者一張紙，但到了太空中，這種推進(jìn)器可以推動(dòng)數(shù)十噸重的龐大空間站。因?yàn)樘罩袔缀鯖]有阻力，根據(jù)牛頓第一定律，只需一個(gè)很小的推力，就能讓空間站獲得加速度，使其動(dòng)起來。

中國空間站運(yùn)行在高度約為390公里的近地軌道上，飛行速度為7.68公里/秒。雖然這里接近真空，但仍然還有少量的地球大氣在阻礙空間站飛行，導(dǎo)致其軌道高度每月會衰減大約2公里。

為了讓空間站維持在軌道上，需要定期啟動(dòng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，給空間站一個(gè)推力。位于相近軌道高度的國際空間站，每年要消耗7.5噸的推進(jìn)劑來維持軌道高度，所需的成本超過2億美元。

霍爾推進(jìn)器能夠長時(shí)間高效工作，所需消耗的推進(jìn)劑很少，只需從太陽能電池板那里獲得能量補(bǔ)充。中國空間站配備了4臺霍爾推進(jìn)器，它們可以讓空間站的軌道保持穩(wěn)定，從而節(jié)省大量的化學(xué)燃料。

霍爾推進(jìn)器有著廣闊的前景，可以應(yīng)用于未來的星際飛行。如果可以進(jìn)一步提高霍爾推進(jìn)器的推力，讓宇宙飛船一直產(chǎn)生1個(gè)g的加速度，這樣不但讓宇航員有了地球表面重力的感受，而且還能真正實(shí)現(xiàn)星際飛行。

不要小看了1g加速度，這樣的宇宙飛船飛到45億公里外的海王星，只需要11天。飛出半徑1光年的太陽系，只需要508天，而旅行者1號（速度17公里/秒）需要1.8萬年。飛到100光年外，也只要14年的時(shí)間。到了那時(shí)，星辰大海將不再是夢想，而是可以到達(dá)的目的地。