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中国空间站建设记

本文来源:人民网-人民日报海外版 发布时间:2021.6.21

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。


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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。

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。

(原文标题: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))

推荐阅读:神舟十二号载人飞行任务新闻发布会


责任编辑: 木子

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