人类成功发射过的推力最强的火箭是1967年11月09日升空的美国土星五号，推力达到了3408吨，可以让3038.5吨的物体从地面升空；与之对比，54年后的2021年4月29日，中国发射的空间站核心舱——天和号上面使用了我国研发出的最先进的霍尔推进器，推力大小为0.08牛顿，大小差不多能够吹动一张纸，但为什么土星五号已经被送到历史博物馆里面，不再使用，而力量小到几乎感觉不到的霍尔推进器却让全网吹爆呢？这要从人类运动的方法说起。

天和核心舱上的霍尔推进器（红框部分）

人类是如何运动的

不知道大家是否还记得我们在幼儿园读中班的时候，老师讲过一个定律叫做牛顿第三定律，简单地说就是你把物体向后推，你就会受力而向前运动，实际上，人类这么多年的运动，几十万年演化，都到了太空了，运动的原理还是这个，没有任何更新！我们可以通过几个典型的例子来看下：

走路：你之所以可以走路并不是因为你有脚，而是因为你身体的某一部分（一般人用脚）蹬地，给了地面一个力，然后你就向前走了，不信可以把你吊起来，随便怎么动脚，你也根本走不动，走路是因为牛三定律。

向后蹬地，人向前走

游泳：如果不接触地面，人类的游泳就是通过在水里面，手和脚给水一个力，把水向后推，从而让人向前运动，这还是牛三定律。

向后蹬水，人向前游

火箭：那高大上的火箭呢？在太空中飞行的火箭周围是没有其它物体的，没有受力物体，那它是如何在真空中飞行的呢？其实还是牛三，只是这回它换了一个方式，没有东西踩，就从自己身体上拿一部分往后扔，用力把自己一部分扔走，就会获得一个反作用力向前，这就是火箭的原理。

火箭将自己一部分向后扔，从而自己向前

而且因为作用力和反作用力大小是相等的，所以要想火箭飞得远，那就要扔更多的东西，要想火箭飞得快，那就用更快的速度向后扔，这就是我们现在用的化学火箭的基本原理，人类从最早发明火箭到现在，本质上没有任何变化，只是装了更多的燃料，并且想办法把燃料用更快的速度扔出去而已，但我们现在用的化学火箭发展潜力已经快被挖干了！

燃料向后扔，火箭向前飞

一眼望到头的传统化学火箭

飞得远要装更多的燃料，所以火箭从最开始的单级火箭到现在的多级火箭，还要在火箭两边绑上几个助推器，其中一个很大的原因就是为了装入更多的燃料，从而使得火箭能够工作更长的时间而已。以前面说的人类最大的火箭“土星五号”为例，起飞重量达3000多吨，最后送上月球的部分只有45吨，剩下的质量几乎都是燃料，算个比例，有效载荷只有1.5%，我们的胖五火箭也是如此，起飞质量859～879吨，但是同步轨道运载能力只有14吨，也差不多，那一次类推，随着人类科技的不断发达，未来如果要发射一个重100多吨的物体到地球同步轨道，火箭自重就要达到10000吨，现在的火箭发动机根本飞不起来啊，一眼可以望到头的未来就是这么绝望！

多级火箭+助推器的胖五

另外一个火箭发展方向就是要更快地让燃料喷出去，这个就要靠发动机等技术的发展了，类似于歼二十这样的飞机，燃料喷射的速度只有几百米每秒，最先进的火箭发动机，也只能达到2-5千米每秒，再快基本就难了，即便从理论值来说，未来化学燃料火箭的最快喷射速度也只能达到10千米每秒（注意，这只是燃料喷射速度，不是火箭飞行的速度），又是一眼望到头的绝望未来！

更长更粗的土星五号

所以到了现在，人类去一趟火星需要的时间是6-10个月之久，就是因为燃料有限，只能让它慢慢漂过去，而人类如果未来想步入星际时代，走出太阳系，到其它行星去生存，那么化学火箭必须要被更新的火箭技术取代，这个东西就是离子发动机！

接近光速的离子发动机

首先大家一定还记得幼儿大班时候老师在教室给大家展示过的离子加速器吧，就是这个东西：

粒子加速器

原理很简单，就是利用电场可以让粒子受力，从而不断地加速，目前欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机保持着粒子能量的最高记录，其质子的速度最高达到299,792,455米/秒，即99.9999991%的光速，比光速只慢了3米/秒。

粒子加速器原理

再想想前面的化学推进火箭，极限只有10千米每秒，是不是天上地下的差距？所以人类就想到利用离子来做发动机，推动飞船前进，这东西就是离子发动机。

《流浪地球》中的行星发动机就是离子发动机

最早的离子发动机是在1959年由NASA（美国航空航天局）的哈罗德·考夫曼（Harold Kaufman）设计和制造完成的，原理就是和我们说的一样，利用电能产生电子然后撞击原子，将原子变成带电离子，然后用电场把离子给甩出去，然后发动机部分就会获得一个反作用力从而向前运动，但是因为这种最早的发动机会腐蚀电极栅板，所以后来被改进成了霍尔推进器，当然原理其实也差不多，只是克服了离子发动机的一些缺点而已，这种发动机即便小型化了，喷射的速度也可以达到化学火箭的十倍以上，这代表燃料的质量消耗也只有化学燃料的十分之一，不过发明这东西的不是美国人，而是苏联。

霍尔推进器

1971年12月，人类首款实用的霍尔推力器SPT-50，被苏联发射升空，负责给流星号气象卫星提供推力，后来苏联解体之后，美国通过一些手段拿到了几乎全套的苏联霍尔推进器，然而经过实验室拆解和分析才发现：艾玛，真香，于是美国人站在苏联当年的基础上开始转向霍尔推动器的研究，对了，他们还把这个技术分享给了法国，一个苏联倒下，美国科技开始了飞速发展，啧啧。

美国：苏联，我来了

到了现在大家看到科幻电影里面，飞船起飞时候的幽蓝色火焰就是霍尔推进器，当然霍尔推进器一点都不挑食，只要是容易电离的原子都可以做推进器，所以除了主流的氙以外，还有很多其他原子做的推进器，比如锌、氮、碘、镁、铋等，另外不同的原子喷出来的颜色也是不一样的，所以你可以挑一个你喜欢的颜色来做发动机哦。

各种颜色的推进器

那既然霍尔推进器这么厉害，为什么现在的火箭还是用的化学推进火箭呢？那是因为现在的霍尔推进器有一个最大的缺点——推力太小，中国装在天和号上的推进器只有0.08牛顿的力，而世界上目前最先进的霍尔推进器是是美国的X3型霍尔推力器，实现了功率从5kW到102kW的运行测试，电流高达260安培，推力达到5.4牛，但这比起上万牛顿的火箭发动机而言，还是差的太远。

美国的X3霍尔推进器

代表未来的霍尔推进器

1、推力不够大，你要忍一下

然而虽然推力小，但绝不是很多人说的只能吹起一张纸，这句话说的是在地球上有阻力存在的情况下，但因为霍尔推进器是在太空使用的，在没有阻力的情况下，即便是再小的力，也能够让一个重达数百吨的空间站动起来，只是加速的时间会非常的漫长，需要很久才能移动而已，它目前的主要应用范围是空间站和轨道卫星上面。

飘在地球轨道上的卫星们

众所周知，地球附近其实也是有着大气层存在的，也就是说在轨道上的卫星，特别是低轨道的卫星，比如间谍卫星，气象卫星这种，面对的阻力很大，卫星在运行过程中会不断地减速，所以高度会不断降低，最后就会掉落回地球，坠毁在大气层中，所以为了让卫星保持持续在轨，我们就需要隔一段时间对卫星进行加速，而这个过程是要持续在卫星的整个在轨时间的，那可能是十多年，这种维持需要消耗巨量的燃料。

以距离地球较近的国际空间站为例，国际空间站的轨道衰减大约为每月2千米。所以为了保持轨道高度，每年国际空间站消耗的燃料高达4吨，如果要变轨则会更多一些，而这些燃料都是货运飞船一点点送上去的。但向太空运送一公斤物资的成本在十万元人民币量级，并且频繁的货运任务也将造成高风险，这时候霍尔推进器的优势就出来了，它太省燃料了，虽然慢了点。

科幻的霍尔推进器

比如2009年3月27日欧航局ESA发射了一个名为GOCE的卫星探测器，由于测量精度要求，它的飞行轨道低至250公里，在这个高度，空气阻力是比较大的。为了克服空气阻力，它装备了一台离子推进器，不间断工作了2年却只消耗了40公斤氙。

再比如2001年，阿丽亚娜5号在发射欧航局3100公斤的阿尔忒弥斯任务航天器时，由于二级火箭发动机工作异常，卫星没有达到预定轨道，远地点只有17487公里，是预定高度的一半。但就是它搭载的RITA-10离子推进器力挽狂澜，在7年中累计工作长达7500小时，仅消耗了14.2公斤的推进剂，最终就使航天器到达了预定轨道。

2、愚公门前有两座大山

霍尔推进器的特点很明显，省燃料，但是需要的时间长，但这对于宇宙旅行而言根本不是什么大问题，以当年的阿波罗登月计划为例，它花了整整三天才到月球，但其实发动机仅工作了约1010秒，这就已经消耗了绝大部分的火箭燃料了，剩下的时间其实就是利用惯性，因为宇宙没有阻力，让它以这个速度慢慢地飘过去的，而火星的10个月的旅行其实也是一样，真正发动机工作的时间只有那么十多分钟，其它的时间都是在无动力的漂流阶段。

如何到火星

而如果换成霍尔推进器会发生什么呢？我们可以做个简单计算，按照新闻报道的92毫牛的推进力来说，给重1000吨的飞船带来的只有0.000092 m/s^2，也就是每秒速度只能增加0.000092 m/s，这实在是太慢了，但如果是一个星期后呢？累计起来的速度达到了55.6 m/s，换算一下是200千米每小时，都赶上一般的火车的速度了，而持续加速一年后，它的速度可以达到2898 m/s，一个非常快的速度了，那如果是继续的2年，5年呢？更加的可以期待！所以虽然慢，但持之以恒的霍尔推进器就如同愚公移山一样，门口的大山总能被移开的。

愚公移山

当然，虽然霍尔推进器前途远大，但是不代表它没有缺点，其中最大的问题就是电力来源和散热，如果是在太阳系内部较近的地方，那可以通过太阳能电池板获得电能，但如果太远的话，或者星际旅行，那就没有电力来源了，虽然现在的技术正在研究将它换成热核电池来供电，但毕竟还有很长的路要走，只能说霍尔虽然速度慢，但比起只能持续几分钟就没了的化学火箭来说，它可能才是未来！

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