霍尔效应推进器（Hall Effect Thruster, HET）是一种广泛应用于航天器推进的电推进系统。它通过利用霍尔效应和电磁场来加速带电粒子，从而产生推力。这种推进器以其高比冲、效率高且工作寿命长的特点，成为许多地球同步卫星、深空探测器以及轨道修正任务的首选。
霍尔效应推进器的核心工作原理基于霍尔效应和电磁场相互作用。具体来说，它由以下几个主要部分组成：
- 放电室（Discharge Chamber）：在放电室中，推进剂（通常是氙气）通过阳极进入。在放电室内，产生一个强磁场，该磁场通常是径向的。
- 阴极（Cathode）：位于放电室的外部，用于发射电子。电子在进入放电室后，被磁场约束在一个旋转的轨道上，形成电子云。
- 阳极（Anode）：通常位于放电室内部，与阴极之间形成电位差。电子从阴极向阳极运动时，会被磁场偏转，形成霍尔效应，即电子运动方向和磁场方向之间的垂直电场。
- 离子化（Ionization）：通过阳极与阴极之间的电位差，氙气原子被电离，形成氙离子和自由电子。离子在电场作用下被加速，并高速喷射出放电室，产生推力。
- 推力产生：高能氙离子从放电室喷射到太空中，依据牛顿第三定律，反作用力推动车体向前运动。这一过程的效率较高，推力相对稳定且持续时间长。
霍尔效应推进器具有以下几个显著优点：
- 高比冲：比冲（Specific Impulse）是衡量推进器效率的重要指标。霍尔效应推进器的比冲通常在1500到2000秒之间，远高于化学推进器。
- 效率高：与传统的化学推进器相比，霍尔效应推进器的电能转化为动能的效率更高，通常可以达到50%以上。
- 长寿命：霍尔效应推进器的结构简单且少有活动部件，因此其工作寿命长，适合长期任务。
- 推力可调：通过调节放电电压、磁场强度和推进剂流量，可以在一定范围内调节推力大小，增加了任务灵活性。
霍尔效应推进器广泛应用于以下几个领域：
- 卫星姿态控制和轨道保持：由于其高效率和长寿命，霍尔效应推进器常用于地球同步卫星的轨道保持以及姿态控制。
- 深空探测：例如欧洲航天局的“BepiColombo”任务使用了霍尔效应推进器，用于行星际航行。
- 低地轨道卫星的去轨：霍尔效应推进器的可调推力特性使其在低地轨道卫星退役任务中也被广泛采用。
NASA在霍尔效应推进器（Hall Effect Thruster, HET）技术方面一直是全球领先的研究和开发机构之一。近年来，NASA在这一领域取得了一系列显著的进展，特别是在提高推进器性能、延长寿命以及拓展应用领域方面。
- Xenon Large Capacity Thruster（X3）： NASA与密歇根大学、美国空军研究实验室以及Aerojet Rocketdyne公司合作开发了X3推进器，这是迄今为止最强大的霍尔效应推进器之一。X3是一种多通道霍尔效应推进器，设计目标是用于深空任务。它具有以下特点：
- 高功率：X3的功率可以达到100千瓦，远超传统的霍尔效应推进器。
- 高推力：它能够提供超过5.4牛顿的推力，这对于电推进器来说是一个显著的提升。
- 高效率：在功率和推力的提升下，X3的比冲仍然保持在2500秒以上，展现了极高的推进效率。
- 应用潜力：X3特别适合用于载人火星任务或其他深空探测任务，提供持续、稳定的推力以减少航行时间。
- Next-Generation Electric Propulsion（NEXT-C）： NEXT-C（Next Step Evolutionary Xenon Thruster-Commercial）是NASA开发的另一种先进霍尔效应推进器。与X3不同，NEXT-C的设计目标是为近地轨道卫星提供高效、长寿命的电推进支持。该项目的进展包括：
- 高比冲：NEXT-C的比冲可以达到4190秒，比传统霍尔效应推进器高出不少，能够显著减少推进剂的使用。
- 商业应用：NEXT-C专注于商业化应用，特别是为新兴的近地轨道卫星星座提供低成本、高效率的推进系统。
- 成功测试：NEXT-C推进器已经成功通过了多项地面测试，并计划在未来的NASA任务中进行实际部署。
- NASA Evolutionary Xenon Thruster (NEXT)： 这是NASA的另一个长期推进器开发项目，已经在数个任务中得到了验证，如“Dawn”任务。NEXT推进器的主要特点是其能够在10.7千瓦功率下工作，推力可达236毫牛顿，比冲高达4190秒。该系统在地面测试中累计工作超过了48000小时。
- 推力与功率的提升： NASA不仅在推力和功率方面做出了技术突破，还致力于提高霍尔效应推进器的寿命。通过先进的材料研究和优化磁场设计，NASA成功地延长了霍尔效应推进器的使用寿命。这对于长时间深空任务尤为重要，因为推进器需要在极端环境下连续工作多年。
NASA计划将这些先进的霍尔效应推进器技术应用到未来的深空任务中。例如，在载人火星任务中，霍尔效应推进器将被用于减少往返火星的时间，同时降低对化学燃料的依赖。此外，NASA还在研究如何进一步提高推进器的效率和推力密度，以满足未来的深空探测任务需求。
Credit: NASA/Jef Janis.
NASA的12千瓦霍尔效应推进器（12-kilowatt Hall thruster）是其电推进技术研发的一部分，旨在为下一代航天器提供高效、可持续的推进力。该推进器通常被称为“Advanced Electric Propulsion System” (AEPS)，主要用于深空探测器和大型卫星的轨道控制以及推进任务。以下是有关这一推进器的一些关键信息：
一、项目背景与目标
- 项目背景：12千瓦霍尔效应推进器是NASA与Aerojet Rocketdyne合作开发的，是AEPS项目的重要组成部分。该项目的主要目的是为未来的深空任务（如载人火星任务）提供更强大、更高效的电推进系统。
- 主要目标：设计和开发一种能够在深空环境中长时间稳定运行的推进系统，提供比现有技术更高的比冲和推力，从而减少推进剂的使用量，并延长任务的航行距离和时间。
二、技术特点
- 高功率输出：
- 该推进器设计为12千瓦功率，与传统的霍尔效应推进器相比，大幅提升了功率输出。
- 高功率使得该推进器能够提供显著更大的推力，适合用于大型航天器的深空任务。
- 高效的推力性能：
- 12千瓦霍尔推进器在提升推力的同时，仍然保持了较高的比冲（Specific Impulse），通常在2000到3000秒之间。比冲越高，推进系统的燃料效率就越高，这对于长时间任务尤为重要。
- 这种性能使得推进器在燃料消耗和推力输出之间达到了良好的平衡，适合用于深空探测任务中的长时间推进任务。
- 先进材料与设计：
- NASA使用了先进的材料和冷却技术，以应对12千瓦功率下产生的高温和其他极端工作条件，延长推进器的工作寿命。
- 特别是磁场和电场的设计进行了优化，以减少推力损失和提高离子化效率。
三、应用与测试
- Deep Space Gateway (DSG) 项目：
- 12千瓦霍尔推进器被计划用于NASA的Deep Space Gateway项目，这是一个围绕月球轨道运行的空间站，旨在为未来的载人月球和火星任务提供支持。
- 在DSG中，这种推进器将用于维持轨道、进行轨道调整以及空间站的姿态控制。
- 实地测试：
- 该推进器已在NASA的Glenn研究中心和Aerojet Rocketdyne的测试设施中进行了多次地面测试，验证了其在高功率条件下的性能和稳定性。
- 测试结果显示，推进器能够在长时间高功率操作下保持稳定性能，符合深空任务的要求。
- 未来任务展望：
- 该推进器计划用于未来的深空探测任务，包括载人火星任务和其他深空探测任务，如小行星采样返回任务。
- 由于其高效率和长寿命，12千瓦霍尔推进器也可能成为未来地球轨道卫星和空间站的主要推进技术之一。
四、总结
NASA的12千瓦霍尔效应推进器代表了当前电推进技术的前沿。通过提高功率输出和推力效率，这种推进器不仅能够支持当前的深空探测任务，还为未来的载人任务提供了重要的技术基础。随着进一步的测试和技术成熟度的提升，12千瓦霍尔推进器有望在下一代航天任务中发挥关键作用。