隨著神舟十四號(hào)載人飛船的造訪，中國(guó)空間站組合體的規(guī)模又一次變得更大。目前，天和核心艙的前、后向?qū)涌诜謩e對(duì)接著天舟三號(hào)、天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船，神舟十四號(hào)則對(duì)接在徑向端口。

天和核心艙重約22.5噸，天舟四號(hào)重約13.5噸，天舟三號(hào)重約6噸（假設(shè)物資已經(jīng)耗盡），神舟十四號(hào)重約8噸，目前中國(guó)空間站組合體總重已達(dá)50噸。隨著今年問(wèn)天、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙相繼對(duì)接天和核心艙之后，中國(guó)空間站將達(dá)到100噸級(jí)的規(guī)模。

盡管中國(guó)空間站的規(guī)模已達(dá)50噸，但天和核心艙上卻配備著4臺(tái)總推力僅為0.32牛的霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，要知道一枚雞蛋都有0.5牛重，那么，如此大的空間站用這推力這么小的發(fā)動(dòng)機(jī)有什么意義？

中國(guó)空間站飛行在距離地表大約390公里高的太空中，軌道速度約為7.68公里/秒。理論上，太空中沒(méi)有空氣阻力，空間站可以依靠慣性不斷繞著地球做近似圓周運(yùn)動(dòng)，即便無(wú)動(dòng)力也不會(huì)掉下來(lái)。這就像我國(guó)的首顆人造衛(wèi)星東方紅一號(hào)那樣，它早就沒(méi)有動(dòng)力，但52年過(guò)去了，它還在太空中飛行。

東方紅一號(hào)的軌道高度較高，空氣阻力可以忽略，所以它長(zhǎng)期在太空中無(wú)動(dòng)力飛行也不會(huì)掉下來(lái)。但空間站的軌道屬于近地軌道，那里并非完全真空，其實(shí)還在地球大氣層的熱層范圍內(nèi)，那里的稀薄大氣仍會(huì)阻礙空間站的飛行。在這樣的高度上，空間站的軌道高度每天估計(jì)會(huì)衰減66米，一個(gè)月累積起來(lái)，高度會(huì)下降2公里。

因此，空間站需要定期通過(guò)啟動(dòng)軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，抬升一下軌道，以防掉回地球。以近地軌道上的另一個(gè)空間站為例，國(guó)際空間站為此每年需要燃燒7.5噸的推進(jìn)劑，需要定期由貨運(yùn)飛船送推進(jìn)劑上太空，成本達(dá)2億美元。

在我國(guó)空間站的天和核心艙上，也配備了4臺(tái)2500N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為甲基肼（MMH）/四氧化二氮（N2O4）。每次天舟貨運(yùn)飛船上太空時(shí)，也會(huì)帶一些推進(jìn)劑，定期給空間站補(bǔ)加。

天和核心艙上還有22臺(tái)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，用于調(diào)整空間站的姿態(tài)，便于實(shí)驗(yàn)艙和飛船的對(duì)接、撤離。更加備受關(guān)注的是，天和核心艙上配備了4臺(tái)霍爾電推進(jìn)器，雖然它們的推力非常小，但卻能用于空間站的軌道維持。

無(wú)論是軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，還是姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，它們都是傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，都是通過(guò)混合燃料和氧化劑，使之劇烈燃燒，然后再高速噴射出氣流，從而產(chǎn)生動(dòng)力。除了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外，還有一類是電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的能量來(lái)源不是化學(xué)能，而是電能。

電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)還分為好幾種，目前最為熱門之一的當(dāng)屬霍爾推進(jìn)器。這種推進(jìn)器通常使用氫氣、氙氣、氬氣作為推進(jìn)劑，但這些推進(jìn)劑并不是通過(guò)燃燒來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。

通過(guò)霍爾效應(yīng)，推進(jìn)劑受到電子撞擊而變成離子狀態(tài)，這些離子再經(jīng)過(guò)電場(chǎng)的加速之后，然后再中和羽流中的離子，最終能讓噴射出的氣體加速至超過(guò)10公里/秒，最快甚至可達(dá)80公里/秒。相比之下，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的氣流速度通常只有2至4公里/秒。

由此可見(jiàn)，對(duì)比單位質(zhì)量的推進(jìn)劑所能產(chǎn)生的沖量，也就是比沖，霍爾推進(jìn)器遠(yuǎn)高于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。比沖越大，發(fā)動(dòng)機(jī)性能越強(qiáng)，工作效率越高，霍爾電推力器的效率高達(dá)45%至70%。

盡管火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生巨大的推力，但需要攜帶大量的推進(jìn)劑，所以動(dòng)力的很大一部分都被用于推動(dòng)推進(jìn)劑本身。在一枚典型的化學(xué)火箭中，推進(jìn)劑的重量占比通常超過(guò)80%。

目前，霍爾推進(jìn)器的推力都非常小，普遍只有幾十毫牛，最大的也只有幾牛，例如，天和核心艙上的HET-80霍爾推進(jìn)器，單臺(tái)推力僅為80毫牛（0.08牛），這么小的推力只能推動(dòng)一張紙，遠(yuǎn)小于能夠產(chǎn)生2500牛推力的軌控發(fā)動(dòng)機(jī)。這是天和核心艙的霍爾推進(jìn)器在運(yùn)行時(shí)的景象，可以看到藍(lán)綠色的羽流：

但由于霍爾推進(jìn)器的效率高，攜帶的推進(jìn)劑少，而且又能長(zhǎng)時(shí)間工作，積少成多，就能起到維持空間站高度的作用，從而可以節(jié)省大量的化學(xué)燃料。說(shuō)到這里，大家可能會(huì)好奇，4臺(tái)霍爾推進(jìn)器的總推力只有0.32牛，如何能推動(dòng)重達(dá)50噸的空間站？

如果是在地面上，這么小的推力不可能推動(dòng)如此重的物體。但到了太空中，基本上沒(méi)有空氣阻力，而且空間站處于失重狀態(tài)，只要推力大于0，就能讓空間站的加速度大于0（牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律：F=ma）。

盡管加速度很小，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)加速，累積起來(lái)，就能有一個(gè)比較可觀的速度增量。據(jù)估計(jì)，天和核心艙的四臺(tái)霍爾推進(jìn)器持續(xù)運(yùn)行一天，可以讓空間站產(chǎn)生大約0.7米/秒的速度增量。

不要小看了這么點(diǎn)推力，霍爾推進(jìn)器的優(yōu)勢(shì)是可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，只需要消耗從太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能以及一些推進(jìn)劑，這樣就能讓空間站的化學(xué)推進(jìn)劑消耗下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。

我國(guó)還在研究更加先進(jìn)、推力更強(qiáng)的霍爾推進(jìn)器，目前正在研制的HET-450，其地面試驗(yàn)產(chǎn)生的最大推力可達(dá)4.5牛。不遠(yuǎn)的將來(lái)，這些強(qiáng)大的霍爾推進(jìn)器就能應(yīng)用于我國(guó)的空間站，甚至我國(guó)的載人登月任務(wù)。

在我國(guó)電推進(jìn)技術(shù)研究取得巨大成就的如今，也不要忘了中國(guó)航天之父錢學(xué)森的付出。當(dāng)年正是錢老的高瞻遠(yuǎn)矚，我國(guó)早在上個(gè)世紀(jì)60年代就開(kāi)始了電推進(jìn)技術(shù)的研究，正是有了前人打下的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，才有我們?nèi)缃袷澜缦冗M(jìn)的水平。