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配置4臺(tái)霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī) “天宮”掀起太空動(dòng)力變革

2021-06-21 作者：張保淑人民日報(bào)海外版責(zé)任編輯：吳靜

摘要：神舟十二號(hào)搭載3名宇航員首次進(jìn)入空間站核心艙，時(shí)隔4年多，中國宇航員又一次挺進(jìn)蒼穹并拉開長期駐留太空的序幕。2020年1月，中國航天科技集團(tuán)發(fā)布消息稱，我國首款20千瓦大功率霍爾電推進(jìn)器成功完成點(diǎn)火試驗(yàn)，標(biāo)志著中國霍爾電推進(jìn)器推力從毫牛級(jí)實(shí)現(xiàn)向牛級(jí)跨越，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

配置4臺(tái)霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī) “天宮”掀起太空動(dòng)力變革(筑夢“太空之家”——中國空間站建設(shè)記④)

沖天而起、精準(zhǔn)入軌、交會(huì)對接形成組合體、航天員進(jìn)入核心艙進(jìn)行太空作業(yè)和空間實(shí)驗(yàn)，神舟十二號(hào)飛行任務(wù)實(shí)施可謂行云流水、一氣呵成，讓密切關(guān)注的國人蕩氣回腸，自豪之情油然而生。神舟十二號(hào)搭載3名宇航員首次進(jìn)入空間站核心艙，時(shí)隔4年多，中國宇航員又一次挺進(jìn)蒼穹并拉開長期駐留太空的序幕。

隨著后續(xù)航天任務(wù)密集實(shí)施，中國“天宮”呼之欲出。作為新時(shí)代的航天“寵兒”，“天宮”集現(xiàn)代科技之大成，應(yīng)用了一批當(dāng)今先進(jìn)的科技成果，而電推進(jìn)無疑是其中最值得稱道的科技之一。“天宮”核心艙配置了4臺(tái)霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，這是人類載人航天器上首次使用電推進(jìn)。中國“天宮”悄然間掀起了一場太空動(dòng)力變革。

比傳統(tǒng)動(dòng)力更具優(yōu)勢

化學(xué)動(dòng)力是太空飛行的傳統(tǒng)動(dòng)力，通過燃燒化學(xué)推進(jìn)劑，向后拋射物質(zhì)，獲得動(dòng)力。實(shí)際上，運(yùn)載火箭在起飛上升段采用的也是這種傳統(tǒng)化學(xué)動(dòng)力方式，為了克服地球引力，將航天器托舉入軌，火箭必須加載大量的化學(xué)推進(jìn)劑，通過短時(shí)間內(nèi)劇烈燃燒，釋放大量能量，使飛行達(dá)到發(fā)射所需要的速度，把航天器送入預(yù)定軌道。進(jìn)入太空后，航天器進(jìn)行維持軌道、變軌或者調(diào)整姿態(tài)等，繼續(xù)需要?jiǎng)恿Γ瑐鹘y(tǒng)上動(dòng)力來源于自身攜帶的化學(xué)燃料或者在軌補(bǔ)加的燃料。

運(yùn)載火箭通常個(gè)頭高大，矗立在發(fā)射臺(tái)上顯得巍峨挺拔，長征五號(hào)這樣的重型火箭更是如此。作為目前中國航天最強(qiáng)的“大力士”，長征五號(hào)近地軌道運(yùn)載能力達(dá)25噸、地球同步軌道運(yùn)載能力為14噸，然而它的中芯級(jí)直徑達(dá)5米，總長度近57米，起飛重量在859-879噸之間，可謂龐然大物，而化學(xué)燃料占據(jù)箭體空間和重量很大比例。在軌飛行航天器通常依賴攜帶的化學(xué)燃料維持運(yùn)轉(zhuǎn)，攜帶化學(xué)燃料量在很大程度上決定了航天器的壽命。除了化學(xué)燃料，人類一直在積極尋找替代性空間動(dòng)力來源，以使航天發(fā)射和航天器在軌運(yùn)行更高效、更經(jīng)濟(jì)。通過不懈努力探索和不斷改進(jìn)，空間電推進(jìn)技術(shù)被開發(fā)出來并不斷演進(jìn)，向著工程化、實(shí)戰(zhàn)化方向加速發(fā)展。

據(jù)上海空間推進(jìn)研究所副總師康小錄介紹，比沖高是電推進(jìn)的一大優(yōu)勢。作為單位推進(jìn)劑所產(chǎn)生的沖量，比沖是評價(jià)火箭推進(jìn)劑性能的技術(shù)參數(shù)，比沖越高，相同條件下推進(jìn)劑能夠產(chǎn)生的速度增量越大。電推進(jìn)系統(tǒng)具有的比沖較化學(xué)劑推進(jìn)大大提高，以電推進(jìn)取代化學(xué)動(dòng)力意味著大幅減少航天器攜帶的燃料量，可省去復(fù)雜的儲(chǔ)罐、管道、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、噴管、相應(yīng)冷卻機(jī)構(gòu)等。同時(shí)，電推力雖小但推力精確、可調(diào)，能給航天器帶來質(zhì)量、壽命、經(jīng)濟(jì)等增益，提升任務(wù)執(zhí)行能力，擴(kuò)展空間任務(wù)范圍等。

保障“天宮”平穩(wěn)運(yùn)行

據(jù)上海空間推進(jìn)研究所研究員杭觀榮介紹，中國空間電推技術(shù)研究起步于上世紀(jì)60年代，經(jīng)歷理論探索、工程研制、飛行試驗(yàn)和工程應(yīng)用等階段。幾十年來，中國科學(xué)家積極投身空間電推進(jìn)科研事業(yè)，大步追趕國際先進(jìn)水平，取得重大突破并將其率先應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域，即將成就特色鮮明的中國天宮空間站。

杭觀榮認(rèn)為，中國空間電推研究取得了多項(xiàng)標(biāo)志性成就。具體來說，上世紀(jì)80年代，中國航天科技集團(tuán)五院510所研制的LIPS-80離子推力器獲得1987年國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。“十五”期間，航天科技集團(tuán)六院801所完成了霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的工程化樣機(jī)并于2012-2013年間成功進(jìn)行了中國首次空間在軌電推進(jìn)飛行試驗(yàn)，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)與國際同類產(chǎn)品具有同等水平。

2020年1月，中國航天科技集團(tuán)發(fā)布消息稱，我國首款20千瓦大功率霍爾電推進(jìn)器成功完成點(diǎn)火試驗(yàn)，標(biāo)志著中國霍爾電推進(jìn)器推力從毫牛級(jí)實(shí)現(xiàn)向牛級(jí)跨越，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。今年4月29日，隨著空間站天和核心艙發(fā)射入軌，中國空間電推應(yīng)用實(shí)現(xiàn)新突破。據(jù)了解，核心艙配備了4臺(tái)霍爾電推進(jìn)器，它們可以從核心艙寬大的太陽能翼獲得充足的電能，根據(jù)需要，適時(shí)啟動(dòng)并可長期運(yùn)行，將對空間站軌道維持和安全平穩(wěn)飛行起到重要作用，可大大降低天宮空間站的燃料消耗。

多國競相探索應(yīng)用

空間電推進(jìn)從提出至今已有100多年了。20世紀(jì)初，現(xiàn)代宇宙航行學(xué)奠基者、俄國人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在一篇論文中提出空間電推進(jìn)概念，他在隨后的論文中進(jìn)一步指出，通過電可以產(chǎn)生強(qiáng)有力的氦離子流，用于驅(qū)動(dòng)宇宙飛船。在其后不久，液體火箭發(fā)明者、美國人羅伯特·戈達(dá)德制造出可產(chǎn)生“帶電粒子”設(shè)備并獲得了“產(chǎn)生帶電氣體射流的方式方法”發(fā)明專利。隨后，世界多國科學(xué)家展開了長期研究，旨在研發(fā)高效的空間電推進(jìn)系統(tǒng)并付諸應(yīng)用。

康小錄表示，上世紀(jì)80、90年代，空間電推方式在美蘇得到一定應(yīng)用。一些衛(wèi)星平臺(tái)以電推進(jìn)來執(zhí)行位置保持任務(wù)。比如，1982年，蘇聯(lián)一款電推進(jìn)系統(tǒng)成功應(yīng)用于一顆衛(wèi)星位置保持。新世紀(jì)，空間電推進(jìn)應(yīng)用繼續(xù)拓展，2001年，歐洲發(fā)射的“阿特米斯”衛(wèi)星最終依靠電推進(jìn)入預(yù)定軌道。2003年，歐洲依靠電推進(jìn)實(shí)施了月球探測任務(wù)。同年，日本發(fā)射“隼鳥號(hào)”小行星探測器，在最后階段，使用電推完成任務(wù)并返回。

值得注意的是，長期以來，空間電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的推力很有限，停留在毫牛級(jí)，被戲稱僅能“推動(dòng)一張紙”。比如，日本“隼鳥號(hào)”小行星探測器使用的電推進(jìn)器的推力不到30毫牛，美國波音公司702衛(wèi)星平臺(tái)上使用的電推進(jìn)器推力為165毫牛。空間電推進(jìn)系統(tǒng)主要用于航天器的姿態(tài)控制、軌道修正和軌道維持等對推力要求不高的任務(wù)。

張保淑

關(guān)鍵詞：天宮,電推進(jìn)系統(tǒng),軌道維持,太空飛行,交會(huì)對接

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