中国首次实现在轨“换气”！百吨空间站，为何用0.32牛霍尔电推？

2023年6月，中国航天又创造了一项“人类首次”，那就是中国空间站组合体首次实现了在轨“换气”。

说到“换气”，估计大家第一时间联想到空间站组合体舱内可供航天员呼吸的空气，为何要更换舱内空气？是质量太差了吗？我要告诉大家的是，这里所说的“换气”指的是更换“氙气”，“氙气”是霍尔电推推进剂。

霍尔电推进器比传统火箭推进器更优秀，能量转化效率极高，这么先进的推进器国际空间站没用上，反被中国空间站给先用上了。

百吨中国空间站，为何使用0.32牛霍尔电推？

神舟16号载人飞船在轨对接，天舟5号再次对接空间站组合体，中国空间站组合体是“三舱三船”结构，总质量达到100吨。

天和核心舱约22.5吨，问天实验舱约23吨，梦天实验舱约23吨，神舟16号飞船约8吨，天舟5号飞船约14吨，天舟6号飞船约14吨。

中国空间站的霍尔电推进器就安装在天和核心舱尾部舱壁上，但是却只安装了4台0.08牛的霍尔电推进器，共产生0.32牛的推力。

1牛推力才能举起一枚约50克重的鸡蛋，而0.32牛推力连枚鸡蛋都举不起来，百吨重的中国空间站组合体为何使用霍尔电推进器呢？

霍尔电推进器不同于火箭发动机，通过电离的方式将惰性气体转化为带电离子，加速带电离子，高速带电离子从尾部喷出从而产生推力，推力虽微弱，但高比冲和高效率让它成为航天器的首选。

霍尔电推进器以氙、氡、氩、铋、碘、镁和锌作为燃料，而我国用于中国空间站上的霍尔电推进器以氙气作为燃料。

都说地球大气层厚度约为100公里，但实际上地球大气能延伸至1000公里之外，中国空间站运行在约400公里高度上，仍处在稀薄大气层中，大气的阻力让空间站高度不断下降，需要定期提升轨道高度。

例如国际空间站轨道高度每个月下降好几公里，为了保证轨道高度，国际空间站轨道都会定期进行轨道提升，火箭发动机启动，耗费大量推进剂。

国际空间站轨道提升任务由俄罗斯舱段负责，每年耗费约8吨燃料，8吨燃料的确值不了多少钱，但是要火箭运送上去，每公斤负荷成本约1万美金，因此，国际空间站轨道提升成本约8000万美金。

霍尔电推进器推力虽微弱，但是可以长时间推进，霍尔电推进器高效率可以减少火箭发动机燃料的耗费。

除此之外，霍尔电推进器电推进系统还用于姿态控制的微调和轨道微修正，空间站围绕着地球旋转，但是空间站一面始终朝向地球，即保持正确姿态，而陀螺仪就是保证空间站正确运行姿态的仪器。

国际空间站有4个重272公斤的电动控制力矩陀螺，每分钟6600转，产生4880Nms角动量，保证国际空间站正确飞行姿态。中国空间站有6个重170公斤的电动控制力矩陀螺，产生4800Nms的角动量，霍尔电推进器则是对控制力矩陀螺进行补充。

中国首次实现在轨“换气”

天和核心舱于2021年4月29日入轨，这意味着天和核心舱上的霍尔电推进器已经连续使用了两年多，作为燃料的氙气已经耗尽了，需要进行补加氙气。

中国空间站空氙气瓶统一了接口，可以通过搭积木的方式把新的氙气瓶连接到旧氙气瓶上，但是中国航天采取直接更换氙气瓶的方式补充氙气，这种方式难度更大，但更彻底，可减轻空间站负重。

此次更换氙气瓶是空间站机械臂自动完成的，说明了空间站机械臂的功能非常强大，为了以防万一，中国航天还准备了“Plan B”计划，如果空间站机械臂自动更换失败了，航天员手动更换氙气瓶。

其它国家从未在太空更换过霍尔电推进器燃料，都是一次性的，比如日本隼鸟2号安装了四个霍尔电推进器，飞在遥远外太空中，不可能更换燃料，中国首次在轨更换电推燃料，中国航天又创造了一项“人类首次”。有趣有料的科普内容请关注唯一的微信公众号：有趣探索