配置4台霍尔电推进发动机 “天宫”掀起太空动力变革(筑梦“太空之家”——中国空间站建设记④)
冲天而起、精准入轨、交会对接形成组合体、航天员进入核心舱进行太空作业和空间实验 ， 神舟十二号飞行任务实施可谓行云流水、一气呵成 ， 让密切关注的国人荡气回肠 ， 自豪之情油然而生 。 神舟十二号搭载3名宇航员首次进入空间站核心舱 ， 时隔4年多 ， 中国宇航员又一次挺进苍穹并拉开长期驻留太空的序幕 。
随着后续航天任务密集实施 ， 中国“天宫”呼之欲出 。 作为新时代的航天“宠儿” ， “天宫”集现代科技之大成 ， 应用了一批当今先进的科技成果 ， 而电推进无疑是其中最值得称道的科技之一 。 “天宫”核心舱配置了4台霍尔电推进发动机 ， 这是人类载人航天器上首次使用电推进 。 中国“天宫”悄然间掀起了一场太空动力变革 。
比传统动力更具优势
化学动力是太空飞行的传统动力 ， 通过燃烧化学推进剂 ， 向后抛射物质 ， 获得动力 。 实际上 ， 运载火箭在起飞上升段采用的也是这种传统化学动力方式 ， 为了克服地球引力 ， 将航天器托举入轨 ， 火箭必须加载大量的化学推进剂 ， 通过短时间内剧烈燃烧 ， 释放大量能量 ， 使飞行达到发射所需要的速度 ， 把航天器送入预定轨道 。 进入太空后 ， 航天器进行维持轨道、变轨或者调整姿态等 ， 继续需要动力 ， 传统上动力来源于自身携带的化学燃料或者在轨补加的燃料 。
运载火箭通常个头高大 ， 矗立在发射台上显得巍峨挺拔 ， 长征五号这样的重型火箭更是如此 。 作为目前中国航天最强的“大力士” ， 长征五号近地轨道运载能力达25吨、地球同步轨道运载能力为14吨 ， 然而它的中芯级直径达5米 ， 总长度近57米 ， 起飞重量在859-879吨之间 ， 可谓庞然大物 ， 而化学燃料占据箭体空间和重量很大比例 。 在轨飞行航天器通常依赖携带的化学燃料维持运转 ， 携带化学燃料量在很大程度上决定了航天器的寿命 。 除了化学燃料 ， 人类一直在积极寻找替代性空间动力来源 ， 以使航天发射和航天器在轨运行更高效、更经济 。 通过不懈努力探索和不断改进 ， 空间电推进技术被开发出来并不断演进 ， 向着工程化、实战化方向加速发展 。
据上海空间推进研究所副总师康小录介绍 ， 比冲高是电推进的一大优势 。 作为单位推进剂所产生的冲量 ， 比冲是评价火箭推进剂性能的技术参数 ， 比冲越高 ， 相同条件下推进剂能够产生的速度增量越大 。 电推进系统具有的比冲较化学剂推进大大提高 ， 以电推进取代化学动力意味着大幅减少航天器携带的燃料量 ， 可省去复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等 。 同时 ， 电推力虽小但推力精确、可调 ， 能给航天器带来质量、寿命、经济等增益 ， 提升任务执行能力 ， 扩展空间任务范围等 。
保障“天宫”平稳运行
据上海空间推进研究所研究员杭观荣介绍 ， 中国空间电推技术研究起步于上世纪60年代 ， 经历理论探索、工程研制、飞行试验和工程应用等阶段 。 几十年来 ， 中国科学家积极投身空间电推进科研事业 ， 大步追赶国际先进水平 ， 取得重大突破并将其率先应用于载人航天领域 ， 即将成就特色鲜明的中国天宫空间站 。
【燃料|配置4台霍尔电推进发动机 “天宫”掀起太空动力变革】杭观荣认为 ， 中国空间电推研究取得了多项标志性成就 。 具体来说 ， 上世纪80年代 ， 中国航天科技集团五院510所研制的LIPS-80离子推力器获得1987年国家科技进步奖一等奖 。 “十五”期间 ， 航天科技集团六院801所完成了霍尔电推进系统的工程化样机并于2012-2013年间成功进行了中国首次空间在轨电推进飞行试验 ， 相关技术指标与国际同类产品具有同等水平 。
2020年1月 ， 中国航天科技集团发布消息称 ， 我国首款20千瓦大功率霍尔电推进器成功完成点火试验 ， 标志着中国霍尔电推进器推力从毫牛级实现向牛级跨越 ， 性能达到国际先进水平 。 今年4月29日 ， 随着空间站天和核心舱发射入轨 ， 中国空间电推应用实现新突破 。 据了解 ， 核心舱配备了4台霍尔电推进器 ， 它们可以从核心舱宽大的太阳能翼获得充足的电能 ， 根据需要 ， 适时启动并可长期运行 ， 将对空间站轨道维持和安全平稳飞行起到重要作用 ， 可大大降低天宫空间站的燃料消耗 。
多国竞相探索应用
空间电推进从提出至今已有100多年了 。 20世纪初 ， 现代宇宙航行学奠基者、俄国人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在一篇论文中提出空间电推进概念 ， 他在随后的论文中进一步指出 ， 通过电可以产生强有力的氦离子流 ， 用于驱动宇宙飞船 。 在其后不久 ， 液体火箭发明者、美国人罗伯特·戈达德制造出可产生“带电粒子”设备并获得了“产生带电气体射流的方式方法”发明专利 。 随后 ， 世界多国科学家展开了长期研究 ， 旨在研发高效的空间电推进系统并付诸应用 。
康小录表示 ， 上世纪80、90年代 ， 空间电推方式在美苏得到一定应用 。 一些卫星平台以电推进来执行位置保持任务 。 比如 ， 1982年 ， 苏联一款电推进系统成功应用于一颗卫星位置保持 。 新世纪 ， 空间电推进应用继续拓展 ， 2001年 ， 欧洲发射的“阿特米斯”卫星最终依靠电推进入预定轨道 。 2003年 ， 欧洲依靠电推进实施了月球探测任务 。 同年 ， 日本发射“隼鸟号”小行星探测器 ， 在最后阶段 ， 使用电推完成任务并返回 。
值得注意的是 ， 长期以来 ， 空间电推进系统产生的推力很有限 ， 停留在毫牛级 ， 被戏称仅能“推动一张纸” 。 比如 ， 日本“隼鸟号”小行星探测器使用的电推进器的推力不到30毫牛 ， 美国波音公司702卫星平台上使用的电推进器推力为165毫牛 。 空间电推进系统主要用于航天器的姿态控制、轨道修正和轨道维持等对推力要求不高的任务 。
张保淑
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