在2021年4月29日，我国在中国文昌航天发射场，利用长征五号B遥二运载火箭发射了空间站天和核心舱，这是空间站的首舱。根据我国空间站建造规划，将在两年时间内建成以核心舱为控制中心，问天、梦天实验舱为主要实验平台，常年有人照料的空间站。两年时间内，各个舱段将在轨道上“搭积木”，组建中国空间站，未来，中国空间站的质量将达到几十吨。

然而你能想象吗，重达几十吨的空间站在太空飞行过程中，用于维持轨道以及姿态调整的几台发动机推力却只有80毫克，这个力量在仅能够托起张A4纸。

这些推力如此之小的发动机也被称为霍尔推进器，那么为什么我们要使用推力这么小的发动机呢？

传统的化学燃料推进器

根据牛顿第三定律，如果物体A给物体B一个作用力，那么物体B也一定会受到物体A的反作用力。例如我们在走路时，我们会向后蹬给地面一个力，同时，地面也会给我们一个向前的反作用力，使我们正常前进。在地面上还好说，因为地面始终可以作为我们的施力物体。但在太空中可就不一样了，太空中由于没有着力点，因此物体想要加速或者摆脱重力，无法通过与其它物体产生作用力来作为动力，那么这个时候只能让“自己与自己产生作用力”。

这个做法就是：向后抛东西。当火箭向后不断“用力”地抛出物体时，这些物体会给火箭一个向前的反作用力，也就是推力。更专业地说，这个过程是动量守恒。

在航天领域，最为传统的推进方式就是化学燃料推进。目前人类使用的火箭都是化学燃料火箭，这种火箭利用火箭中燃料燃烧时产生的巨大热量，将燃气迅速喷出，这种爆燃的效果可以产生巨大的推力。例如我国的长征五号火箭的起飞重量达到了879吨。曾经世界上最大的运载火箭“土星五号”推力更是达到了3038吨。

长征五号火箭起飞

但利用化学燃料作为推进存在一个很大的缺点，就是燃料的消耗量太大的，利用效率太低。因为火箭中大部分的质量都是燃料和燃料罐。

例如在人类历史上，最大的火箭“土星五号”，起飞重量达3000多吨，最后送上月球的部分其实只有45吨，剩下的质量几乎都是燃料。同样的，我国空间站天和核心舱的重量为20吨左右，但发射质量达八百多吨，多出来的质量也都是装配的燃料。

正因为火箭燃烧需要消耗大量燃料，因此火箭在设计时一般会将燃料分成多个部分，形成多级火箭。多级火箭中每一级都装有发动机与燃料，目的是为了提高火箭的连续飞行能力与最终速度。从尾部最初一级开始，每级火箭燃料用完后自动脱落，同时下一级火箭发动机开始工作，使飞行器继续加速前进，减少飞行过程中的“累赘”。

多级火箭分离过程

火箭发射之所以需要消耗如此多的燃料，最主要的原因还是燃料的喷射速度不够。火箭的推力是靠动量守恒获得的，动量等于速度和质量的乘积。由于它的质量是一定的，因此想要使用更少的燃料让航天器达到更大的速度，那么唯一能够做的就是以更快的速度喷射物质，从而获得更大的动量。但化学燃烧这种方式即使在极限状态下，喷出物的速度也只能达到10km/s，难以满足我们的航天探索需求。要突破这一极限，只能另求办法。

霍尔推进器

如何将物质加快到更大的速度并将它们抛出去？于是科学家们想到了粒子加速器，通过类似原理加速离子从而获得推动力的推进器被称为离子推进器。

离子推进器是利用电子轰击原子产生离子，然后通过电场加速离子，向后喷出获得推力。离子推进器的体积小巧，甚至可以和家用扫地机器人差不多大，喷射速度却是化学燃烧的十多倍。因此如果要将航天器加速到同样的速度，离子推进器所携带的燃料质量仅需化学燃料质量的十分之一。

霍尔推进器

不过由于离子推进器设备在加速离子过程中，高速运动的离子会和加速用的电极栅板碰撞，一方面会影响运行效率，一方面会对器件造成腐蚀。于是科学家们再加入磁场对带电粒子进行约束。由于在这个过程中利用了霍尔效应，因为也被称为霍尔推进器，从广义上来说，霍尔推进器也是离子推进器的一种。

霍尔推进器设备及原理

既然霍尔推进器这么牛，为什么推力却这么小？

由于霍尔推进器能将粒子加速到极高的速度，因此比冲（单位质量的工质能够产生的推力）很大，效率更高。但这些加速离子都是在原子层面进行操作，单位时间内能够电离出来的离子数量有限，导致喷射离子的质量少，所以产生的推力较小。

几十毫克的推力能推动几十吨的天宫空间站？

虽说霍尔推进器的推力小，但在太空中显现出来的威力可不小。之所以在空间站中也要装推动器，主要是空间站会与近地空间的稀薄大气摩擦造成阻力，轨道高度会逐渐下降。以国际空间站为例，轨道衰减大约为每月2千米。

为了能够保持空间站轨道高度，需要定时为空间站提供动力。但如果使用的是化学推进剂，那么燃料消耗量将会是霍尔推进器用量的数十倍。要知道向空间站中输送物资所需要的“路费”可是十分高昂的根据初步计算，而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。

由于空间站处于失重状态，因此任何一个很小的推力就能够立马让空间站产生加速运动。霍尔电推进系统，虽说推力不大，但对于失重的空间站来说，却影响很大。它的比冲极高，寿命长、控制精度高，能够可以“细水长流”地发挥推动作用，辅助空间站抵抗轨道衰减，使其维持在原定轨道上正常运转。因此霍尔推进器成为了最优的动力选择。