霍尔推进器射出的离子从哪里来的？质量守恒吗？

霍尔推进器原理图~

霍尔推进器中的陷阱电子置于磁场中可电离所携带的推进剂。霍尔推进器包括稳态等离子体推进器（Stationary Plasma Thruster，SPT，也叫做霍尔效应推进器）和带阳极层推进器（TAL）两种。

中文名
霍尔推进器
外文名
Hall thruster
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效果
简介
典型的霍尔推进器的工作原理如图1．2所示。交叉电磁场捕获从阴极发射的电子，电子绕磁力线旋转并在放电区内作角向漂移，此角向漂移的电子电流称为霍尔电流。而角向漂移是交叉的径向磁场与轴向电场作用的结果(即霍尔效应)。这便是霍尔推进器得名的原因。角向漂移电子与通过阳极进入环形放电室的推进剂分子发生碰撞后电离，形成等离子体，其中离子在电磁场的作用下沿轴向加速，并高速喷出，从而产生推力[1] 。
磁场产生的电场将带电离子进行加速，形成等离子体射流，以此推动飞船前进。这个方法将为长期任务提供更高效安全的推进系统。除了用于小行星任务，新的推进系统也将应用于在火星建立基地、向太空发射大量货物等任务中。[2]


目的
为了完成在2020年首次改变小行星轨道的任务，美国宇航局格伦研究中心的工程师将对现有的推进器进行改进。这个任务将对诸如为宇航员进入深空（如火星）而研发的先进太阳能推进系统（SEP）等功能进行测试。[2]
效果
SEP上使用了霍尔推进器，其所耗燃料将不到现有化学火箭的十分之一。在最近的测试中，格伦研究中心喷气推进实验室的工程师利用格伦真空室模拟真实的太空环境，并成功研制出了更高效、更长寿命、更大功率的新型霍尔推进器。电子推进系统主任丹·赫尔曼表示，新型推进器比旧型号的效率提高了50%，功率能达到之前的三倍。

霍尔效应形成的磁场是将电子运动的轨迹限制在加速电场，让其和原子的碰撞变得更有方向性，加速离子最终只能从敞口中喷出。如此一来，推进器就不再会被离子腐蚀，也不会被电子碰撞。

根据动能守恒定律，喷出离子的质量越大，形成的反作用力就越大，航天器受到的推力就会越强。这样一来，和加速电子相碰撞的原子就需要满足序数足够高，半径足够大，状态稳定，不容易和其他物质出现化学反应等特点。
科学家们发现元素周期表中的惰性气体，非常符合这些要求，综合评估之后，气体氪变成了新型推进器的工质，制造出来的推进器推力是80毫牛左右。
推力只有80毫牛的霍尔发动机，为何能推动天宫空间站？在地面上，80毫牛的推力只能推动一张薄纸片，为什么用到空间站上面，就能让庞大的空间站升空呢？
其实衡量推进器的推力，不应该用地面的数值，而应该用比冲值。比冲值指的是单位工质下产生的推力。当推进器和被推物体的质量相等速度相同时，推进器喷出的离子数量只需要传统推进器的10%，所以霍尔推进器的比冲值极高。

使用传统推进器时，为了顺利发射火箭，需要在非常短的时间内提升火箭的速度，也就是说喷射出来的气流是爆发式的。
但霍尔推进器喷出的离子流却是持续性的，可以用到火箭发射或探测器升空上，也可以用在探测器进入外太空轨道后，方便探测器变换姿态或维持原轨道前进，所以霍尔推进器在使用上更灵活，需要的工质也少。
天宫空间站所处的轨道高度在400公里的位置，那里的大气非常稀薄，轨道衰减速度慢，要维持它的轨道高度，只需要提供一股小小的推力，所以将霍尔推进器用到空间站上是非常合适的。

目前，我国的霍尔推进器推力已经更新到1牛顿。相信在未来，我国的霍尔推进系统技术会变得更加优秀，也会为我国的航天事业带来更大的突破。

离子是带电的原子或原子团，质量守恒。
当原子失去电子或者得到电子的时候，就会形成离子。例如：金属钠在氯气中燃烧，形成氯化钠。这时钠原子失去了最外层的一个电子，钠元素呈+1价，而氯离子得到了一个电子，氯元素呈-1价。
钠离子和氯离子有静电引力，两种离子相互接近，同时这两种离子的核之间以及它们的电子之间又有斥力，当引力和斥力达到平衡时，就形成了化合物氯化钠。

霍尔推进器是需要“推进剂”的，质量守恒。

现在的霍尔推进器大多采用氡、氩、铋、碘、镁、锌等元素作为推进剂，将其离子化后，在磁场作用下进行加速，以几十千米/秒的速度喷射出去，实验室可达到将近100千米/秒的速度。
中性粒子在磁场中不受力，因此推进剂必须先离子化，离子化的方法多种多样，比如：
①、化合法，比如氯化钠，氯离子与钠离子所带电荷不同，在磁场中分别走不同路线，因此被分离，然后通过不同的路线被喷射出去；
②、电子束辐射法，用高能电子束轰击推进剂，导致推进剂电离，然后就能被磁场加速并喷射出去；
③、高温等离子化，温度就是原子/分子动能，温度高到一定程度，电子获得足够动能，摆脱原子核束缚，物质变成阳离子+自由电子的状态，这种状态就叫做“等离子态”。通过高温将物质等离子化，然后就可以用磁场分离阳离子和自由电子，分别加速并喷射出去。
理论上，任何元素都可以离子化，都可以作为霍尔推进器的推进剂，只是其功率、比冲可能高低不一。
《流浪地球》中，北半球的上万个“行星推进器”和赤道上的“转向推进器”都是霍尔推进器。在影片中，人类挖山取石作为推进剂，理论上是可行的，但其能量来源无法深究。

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五通桥区18769665259： 霍尔离子推进器 加速的什么离子 - ？
尔泄葡立： 离子源是使中性原子或分子电离,并从中引出离子束流的装置.它是一种流强大产额高的离子源各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件.

五通桥区18769665259： 氙离子工质推进系统是什么 - ？
尔泄葡立： 等离子体发动机,把离子以电磁力射出,受反作用力,获得相反方向的速度.原理是动量定理.计划用于星际航行.

五通桥区18769665259： 有一种质谱仪的工作原理图如图所示,加速电场的电压为U,静电分析器中有会聚电场,即与圆心O 1 等距各点 - ？
尔泄葡立： 解:(1)设离子进入静电分析器时的速度为v,离子在加速电场中加速的过程中,根据动能定理有 ① 离子在静电分析器中做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律有 ② 由①②解得 ③ (2)离子在磁分析器中做匀速圆周运动,根据牛顿第二定律有 ④ ...

五通桥区18769665259： 一质量为m的小球,以初速度v0沿光滑水平面垂直射向一固定竖直挡板上,并立即沿反方向弹回.已知反弹速度 - ？
尔泄葡立： 规定初速度的方向为正方向,根据动量定理得,I=mv2-mv1=?m 3 4 v0?mv0=? 7 4 mv0. 所以在碰撞过程中挡板对小球的冲量大小为 7 4 mv0. 故答案为: 7 4 mv0.

五通桥区18769665259： 如图所示,静止在光滑水平面上的小车质量为M=＂20＂ kg.从水枪中喷出的水柱的横截面积为S=＂10＂ cm 2 ,速 - ？
尔泄葡立： (1)2m/s (2) 试题分析:(1)流进小车的水与小车组成的系统动量守恒,当淌入质量为m的水后,小车速度为,则即(2)质量为m的水流进小车后,在极短的时间△t内,冲击小车的水的质量为 此时,水对车的冲击力为F,则车对水的作用力也为F,据动量定理有 点评:本题涉及了动量守恒定律与动量定理.不论是定律还是定理,都要注意方向性,因为动量是矢量.同时对于流体采用了假设是一个整体去求解.

五通桥区18769665259： 如图所示的正方形盒子开有a、b、c三个微孔,盒内有垂直纸面向里的匀强磁场.一束速率不同的带电粒子(质 - ？
尔泄葡立： (1)依题意可得粒子的运动轨迹,如右图所示. 结合运动轨迹,根据左手定则 可知 粒子带负电. (2)由 Bqv=mv 2r 得 r=mvBq 又由运动轨迹知 r 1 =2r 2 则v 1 :v 2 =1:2 (3)由 T=2π?rv 得 T=2π?mBq ,周期与速率无关. 运行时间t=θ2π T . 知 t 1 =T2 ,t 2 =T4 .则t 1 :t 2 =2:1.

五通桥区18769665259： ...磁场都垂直,进入电场和磁场后,只有速率为v 1 的离子才能不偏折地沿入射方向做匀速直线运动,其他速率的离子将发生偏折.当它们通过宽为d的中缝射... - ？
尔泄葡立：[答案] 解析:(1)正离子在电场和磁场区域内做匀速直线运动,故有:qE=qBv1故v1=E/B.(2)因为v2>v1,qBv2>qE,离子向上偏,如图所示.设离子从中缝射出时速度为v2′,由动能定理:-qE·=mv2′2-mv22①离子进入B′区域后,做匀速圆周运动,B′qv2′...

五通桥区18769665259： 回旋加速器的问题 - ？
尔泄葡立： 不是这样的,回旋加速器电子加速过程中,是忽略电子质量的,从而将竖直方向上的平抛运动忽略. 但是随着速度的增加,根据相对论,电子的运动质量将会大幅增长,届时,回旋加速器就没有能力保持加速了. 更重要的一点是,你没有理解回旋加速器的原理. 在质量增加的过程中,电子在磁场中的旋转周期发生了改变,从而周期性变化的电场不能够恰好是电子加速,也就是说,加到一定限速之后,加速器反而会给电子减速. 所以说电子在回旋加速器里有速度极限. 国外一般采用直线加速器,虽然占地面积较大,但是电子的极限速度可以达到很高.

五通桥区18769665259： 如图所示的长直导线中有稳恒电流I通过,处于导线的正上方有一个带正电质量极小的粒子以平行导线的初速度v - ？
尔泄葡立： B 由右手螺旋定则可判断导线上部磁场方向垂直纸面向外,由左手定则可判断洛伦兹力向上,距离电流越远磁感应强度越小,由半径公式 ,洛伦兹力不做功,速率不变,半径增大

五通桥区18769665259： 如图所示,a、b、c、d四种离子,它们带等量同种电荷,质量为m a =m b <m c =m d ,以不等的速率va<v b =v c - ？
尔泄葡立： C 从速度选择器中射出的粒子,一定是速度相等的bc粒子 ,进入B 2 的磁场粒子做匀速圆周运动的轨迹半径 因为两粒子vqB都相同可知质量大半径大,即判断射向D 1 的是c粒子