“商用”电推进的兴起与SpaceX成本战略

马斯克在做什么

我们了解了霍尔电推进的工作原理和前世今生之后，让我们来看看Space X的两代商用霍尔电推进的参数情况。

为了实现低成本，马斯克首先采用当前最先进的全电推进卫星平台，在商用电推进的选型上又放弃了美国人自己发明的性能更好的离子发动机，最后又摒弃了已经成熟应用二十年的氙气霍尔电推进技术路线。从氙气到氪气，是马斯克的第一代商用霍尔电推进最大的跨越。当然，这个步子在当年看来，稍微大了一点。星链V0.9版本的卫星，在入轨后，有不少就没能实现可靠的升轨，最终坠入稠密大气而焚毁。可见，创新本身需要足够的勇气去面对工程实践中的大量问题。第一代霍尔推进器迈向成熟的道路上，散落着大量焚毁卫星的泪光。

普遍上认为，Space X一代霍尔电推进技术继承由目前被Astra收购的Apollo Fusion的Spacecraft Engine Max（有意思的是，在Space X研发霍尔电推进的技术负责人跟上文提到的John R.Brophy一样博士学位都就读于美国同一个电推进实验室，是我们团队一位科学家的亲师弟），具体参数如下：

Spacecraft Engine Max参数规格

Spacecraft Engine Max 外形图

Space X的二代霍尔电推进技术参数如下：

Starlink V2 mini霍尔电推进参数规格

至于二代霍尔电推进的实物图就只能从官网的羽流图中一探究竟（从图中的羽流颜色判断，我们不认为这是纯氩气的放电，要么就是Space X故弄玄虚，要么就是他们采用的应该是氩气为主的混合气体作为工质）。

Starlink V2 mini霍尔电推进羽流图

按照Space X的官方说法，二代霍尔电推进实现了推力2.4倍的增长以及比冲1.5倍的增长。如果数据准确，根据二代给出的参数进行简单的计算，一代的推力约为70.8 mN，比冲约为1667 s；可以倒推出一代功率大约为1900 W。参数与Apollo Fusion的Spacecraft Engine Max稍微有出入。SpaceX的一代商用霍尔应该是基于Spacecraft Engine Max又做了一定的改进。SpaceX一代商用霍尔的功率比最初国内预测的600 W左右要高（这也解释了我们团队一直的疑惑，一般中置阴极方案都是大功率霍尔的配置方案）；尽管推算出来的1900 W功率仍然值得怀疑，但从一代到二代的功率增长可以看出马斯克的商用霍尔电推进是朝着大功率趋势发展的；这是随着二代星链的重量、体积的增加以及太阳帆板功率的提高是必然趋势。马斯克的“星链”卫星在用商用霍尔电推进的时候应该就想好了要发挥其卫星大功率的优势，所以配置中大功率的霍尔电推进。

另外，按照Space X的官方数据，其二代商用霍尔电推进的效率达到了50%，当我们已知推力和比冲后，可以通过求得电推进产生推力的功率，再与总功率比较，可以得到效率，核算过后，二代霍尔电推进，效率为49.5%，是符合Space X展示的50%的数字的。

关于继承性，本质上氩气也是氪气一族的惰性气体，氩气霍尔电推进涉及的核心技术可以直接参考其一代霍尔电推进的技术，包括总体结构布局、精确的微流量控制、空心阴极技术、一代霍尔上天积累的使用经验和在轨决策策略等等，大大缩短了研发周期。关于氩气的使用，第一点，业内都知道氩气的电离难度相比于氪气和氙气要大。要电离氩气，二代霍尔的阳极电压需要提高不少，同时考虑离子加速，应该在800V左右。因此，相比其一代氪气霍尔电推进，二代霍尔的二次电源模块必然需要升级，特别是耐高压方面；另外，推力器头也应该进行了改进。第二点，当然氩气也存在自身问题，密度偏小，即使综合比冲增大带来的燃料量减少，仍然需要更大的储罐去容纳工质。因此，其二代霍尔系统应该采用了更轻质的复合材料储罐，才能抵消氩气储罐偏大带来的结构废重增加。以SpaceX一贯做事风格，一款新电推产品成功率期望值超过一半才会大规模搭星上天验证使用，所以判断Space X对其氩气电推进的成熟度是相当有把握的。

氩气霍尔电推进系统需要做的改进

关于马斯克为什么要选择氩气作为工质，大家给出的一致的看法是氩气获取难度低，价格便宜。

埃隆·马斯克 (Elon Musk) 最新推文——“向氩气的过渡虽然很棘手，但有必要，因为氪气太稀有了”。

氙气可以说是名副其实的稀有气体，每年的产量仅在百吨上下。对于Space X“星链”计划这种体量，氙气的储备非常容易就会短缺，那么从市场战略的角度考虑，氙气并不合适。氪气价格约为氙气的1/40，获取难度要小于氙气，但唯一的问题是，乌克兰是氙气和氪气的主要出口国。从去年俄乌冲突爆发之后，氙气以及氪气的价格就一路看涨，拥有氙气与氪气空分精炼提取设备的马里乌波尔钢铁厂等传统意义上的稀有惰性气体生产大户，在此次冲突中，以战区核心地带的方式为世人所知。虽然氙气与氪气的价格，近期有所下调，但这种不稳定性（动辄价格翻倍）并非供应链管理希望看见的。马斯克希望有一种供给更为稳定的工质，于是选择了氩气。目前国外估算，使用氩气会使得每一颗星链卫星成本降低30-50 k$。考虑到氩气在地球大气中的含量和马斯克自有工厂的空分能力，在其为“星舰”运载火箭配套的大产能液氮空分液化设备中，氩气甚至可以从原本的空分杂质直接摇身一变，成为“星链”星座在轨燃料的供应来源。另外，火星大气中的氩气含量也不算太低，那么未来Space X在火星表面建设工厂，生产运载火箭所需的甲烷燃料的同时，也可以空分出氩气，为未来更大推力的氩电推进提供来源，作为其往返火星的空间飞行器的动力。

大功率氩气霍尔电推进系统可作为地—火往返飞行器动力

马斯克移民火星计划

无论如何，Space X二代霍尔电推进给业内的震撼程度是非常巨大的，马斯克在商用霍尔电推进这一领域创造了一款经典产品，最主要是创新性和商用价值的提升。

作者：遨天科技 紫霞

下节预告

“商用”电推进的兴起与SpaceX成本战略（四）

“双面”马斯克：目标激进vs步骤谨慎

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