NASA霍爾推進器突破！自稱改變遊戲規則能力遠超需求，不明覺厲？
NASA一項最新的技術突破可能意義重大，影響深遠，或許會改變商業衛星領域的遊戲規則。簡而言之，他們開發了一款新型霍爾推進器，功能極爲強大，可以讓小型衛星自己飛向月球或火星，或者讓它飛向地球靜止軌道，與老衛星結合在一起，延長衛星至少6年的壽命。
你可能對這個技術還沒有什麼概念，這就相當於你本來只能跳一米高，現在你隨隨便便就可以跳3米高了，飛檐走壁完全不在話下。然後現在大多數衛星變成太空垃圾，並不是它老了壞了，而是燃料沒了，無法變軌、調整姿態，有了這種推進器，就可以變廢爲寶，讓老衛星煥發新生命了，並且節約大量的費用，減少太空垃圾的危害。
那麼霍爾推進器是一項已經成熟的技術，原理已明，技術已清晰，NASA是獲得了什麼武林祕笈，葵花寶典，讓它功力精進，西方不敗，可以改變遊戲規則的呢？
霍爾推進器的原理很簡單，就是利用電力電離推進劑，把離子高速噴射出去，按照牛三律指明的方向，推動航天器前進。
具體來說它有一個環形的腔室，中間是內磁場線圈，底部是陽極，噴口附近是陰極和外磁場線圈。電子從陰極出來後，在噴口附近被磁場控制，一部分形成環形霍爾電流，一部分會衝向腔室更深的陽極處，遇到從陽極釋放出來的推進劑後，將其電離爲離子。離子帶正電，又會被電場加速衝向噴口陰極處，和環形線圈裏的電子異性相吸，手牽手形成中性原子噴射出去，從而推動航天器運動。
霍爾推進器原理最早由美國物理學家羅伯特·霍爾在1960年代闡明，但美國後來就去研究霍爾推進器的表兄離子推進器了，蘇聯則在1971年開發出霍爾推進器，並一枝獨秀20年，直到蘇聯解體後NASA跑去取經，美西方纔開始發展霍爾推進器並後來居上。目前美國已研發出100kW、5.4牛頓的X3，世界上最大推力的霍爾推進器，未來的月球空間站GateWay也要用4個6kW和3個12kW的霍爾推進器來來推進。
中國的霍爾推進器近年來也是發展神速，先後推出了10kW、20kW、50kW的霍爾推進器，並用於空間站的天和核心艙，這是世界上首次霍爾推進器用於載人航天器。2022年，中國也製造出了105kW的霍爾推進器，推力達4.6牛頓，已經可以媲美美國的X3了。
但你發現沒有，這些都是奔着“大”目標去的，而真正用場最多的小目標，比如現在蓬勃興起的近地軌道小衛星，如果能將它們發射到月球、火星乃至更深的深空，就可以執行更多的科學任務，大大拓寬我們對太陽系的認識。但用於這些小衛星的電力推進系統，由於成本限制，通常只設計爲運行幾千個小時，並且處理的推進劑一般也低於航天器整體質量的10%以下。
所以NASA迫切需要一種可以運載180公斤到450公斤的航天器，可以處理更多推進劑，獲得更高ΔV的亞千瓦級低功率電力推進器，H71M霍爾推進器因而應運而生。通過使用單獨的限流器、優化磁路組件、中心安裝陰極等創新設計，研究人員讓低功率霍爾推進器性能得到了極大提升。
根據地面測試的結果，H71M推進器在300V電壓和1kW放電功率下推力高達68mN，在400V和1kW下表現出了1850s的比衝，顯示出相當高效的性能水平。這讓H71M可以穩定運行高達15000個小時，還有50%的冗餘，可以處理超過航天器初始質量30%，高達140公斤以上的推進劑，獲得8km/s 的ΔV，遠遠超出了大多數商業低地軌道任務的需求。
這個8km/s的ΔV是個什麼概念呢？所謂ΔV，就是速度變化的意思，可以描述航天器在太空中改變軌道或速度時所需要的能力，8km/s的ΔV，意思就是改變的總速度要達到每秒8公里。這個指標對航天任務來說非常關鍵，它決定了航天器從一個軌道轉移到另一個軌道，或者是完成複雜軌道機動所需的能力。
比如從地球發射航天器到低地軌道，需要克服地球引力和空氣阻力，總Δv需要9.3-10km/s，到地球同步軌道還需要3.8km/s，到月球軌道則需要4.8km/s，降落到月球還需要1.6km/s，到火星低地軌道是6.1km/s，降落火星還需要4.1km/s。
所以用亞千瓦級的H71M霍爾推進器，就能夠以較爲低廉的成本到達月球和火星軌道，難怪NASA說它改變遊戲規則的能力遠超商業衛星任務需求。但不是每個人、每個組織、每個國家都有遠大的理想，小型探測器的深空任務目前還寥寥無幾，這種推進器究竟有什麼用呢？
NASA早就規劃好了，那就是我研發出來，可以免費、非排他性地向美國工業界提供，用於各種衛星推進。比如諾斯羅普·格魯曼公司就基於H71M設計製造了NGHT-1X霍爾效應推進器，將通過火箭發射到低地軌道，然後自己爬升到地球同步軌道，安裝到3顆通信衛星上，延長它們至少6年的壽命，預計將在2025年發射。
可以想象，隨着這種技術越來越成熟，效率越來越高，把動輒幾億、幾十億美元的任務成本呈數量級地降低，未來可能會有越來越多的小型衛星飛向太陽系，飛向深空，爲人類走向行星際空間打下堅實的基礎。
參考：
https://science.nasa.gov/science-research/science-enabling-technology/pushing-the-limits-of-sub-kilowatt-electric-propulsion-technology-to-enable-planetary-exploration-and-commercial-mission-concepts/
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220009248/downloads/2022%20IEPC%20-%20Benavides%20-%20Final.pdf
