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【原】只能推动一张纸?中国霍尔推进器:为什么能推动50吨重的空间站?

【原】只能推动一张纸?中国霍尔推进器:为什么能推动50吨重的空间站?

随着神舟十四号载人飞船的造访,中国空间站组合体的规模又一次变得更大。目前,天和核心舱的前、后向对接口分别对接着天舟三号、天舟四号货运飞船,神舟十四号则对接在径向端口。

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天和核心舱重约22.5吨,天舟四号重约13.5吨,天舟三号重约6吨(假设物资已经耗尽),神舟十四号重约8吨,目前中国空间站组合体总重已达50吨。随着今年问天、梦天实验舱相继对接天和核心舱之后,中国空间站将达到100吨级的规模。

尽管中国空间站的规模已达50吨,但天和核心舱上却配备着4台总推力仅为0.32牛的霍尔电推进发动机,要知道一枚鸡蛋都有0.5牛重,那么,如此大的空间站用这推力这么小的发动机有什么意义?

中国空间站飞行在距离地表大约390公里高的太空中,轨道速度约为7.68公里/秒。理论上,太空中没有空气阻力,空间站可以依靠惯性不断绕着地球做近似圆周运动,即便无动力也不会掉下来。这就像我国的首颗人造卫星东方红一号那样,它早就没有动力,但52年过去了,它还在太空中飞行。

东方红一号的轨道高度较高,空气阻力可以忽略,所以它长期在太空中无动力飞行也不会掉下来。但空间站的轨道属于近地轨道,那里并非完全真空,其实还在地球大气层的热层范围内,那里的稀薄大气仍会阻碍空间站的飞行。在这样的高度上,空间站的轨道高度每天估计会衰减66米,一个月累积起来,高度会下降2公里。

因此,空间站需要定期通过启动轨道控制发动机,抬升一下轨道,以防掉回地球。以近地轨道上的另一个空间站为例,国际空间站为此每年需要燃烧7.5吨的推进剂,需要定期由货运飞船送推进剂上太空,成本达2亿美元。

在我国空间站的天和核心舱上,也配备了4台2500N轨控发动机,推进剂为甲基肼(MMH)/四氧化二氮(N2O4)。每次天舟货运飞船上太空时,也会带一些推进剂,定期给空间站补加。

天和核心舱上还有22台姿态控制发动机,用于调整空间站的姿态,便于实验舱和飞船的对接、撤离。更加备受关注的是,天和核心舱上配备了4台霍尔电推进器,虽然它们的推力非常小,但却能用于空间站的轨道维持。

无论是轨控发动机,还是姿控发动机,它们都是传统的火箭发动机,都是通过混合燃料和氧化剂,使之剧烈燃烧,然后再高速喷射出气流,从而产生动力。除了火箭发动机外,还有一类是电推进发动机,它们的能量来源不是化学能,而是电能。

电推进发动机还分为好几种,目前最为热门之一的当属霍尔推进器。这种推进器通常使用氢气、氙气、氩气作为推进剂,但这些推进剂并不是通过燃烧来产生动力。

通过霍尔效应,推进剂受到电子撞击而变成离子状态,这些离子再经过电场的加速之后,然后再中和羽流中的离子,最终能让喷射出的气体加速至超过10公里/秒,最快甚至可达80公里/秒。相比之下,火箭发动机产生的气流速度通常只有2至4公里/秒。

由此可见,对比单位质量的推进剂所能产生的冲量,也就是比冲,霍尔推进器远高于火箭发动机。比冲越大,发动机性能越强,工作效率越高,霍尔电推力器的效率高达45%至70%。

尽管火箭发动机可以产生巨大的推力,但需要携带大量的推进剂,所以动力的很大一部分都被用于推动推进剂本身。在一枚典型的化学火箭中,推进剂的重量占比通常超过80%。

目前,霍尔推进器的推力都非常小,普遍只有几十毫牛,最大的也只有几牛,例如,天和核心舱上的HET-80霍尔推进器,单台推力仅为80毫牛(0.08牛),这么小的推力只能推动一张纸,远小于能够产生2500牛推力的轨控发动机。这是天和核心舱的霍尔推进器在运行时的景象,可以看到蓝绿色的羽流:

但由于霍尔推进器的效率高,携带的推进剂少,而且又能长时间工作,积少成多,就能起到维持空间站高度的作用,从而可以节省大量的化学燃料。说到这里,大家可能会好奇,4台霍尔推进器的总推力只有0.32牛,如何能推动重达50吨的空间站?

如果是在地面上,这么小的推力不可能推动如此重的物体。但到了太空中,基本上没有空气阻力,而且空间站处于失重状态,只要推力大于0,就能让空间站的加速度大于0(牛顿第一运动定律:F=ma)。

尽管加速度很小,但经过长时间持续加速,累积起来,就能有一个比较可观的速度增量。据估计,天和核心舱的四台霍尔推进器持续运行一天,可以让空间站产生大约0.7米/秒的速度增量。

不要小看了这么点推力,霍尔推进器的优势是可以长时间持续工作,只需要消耗从太阳能转换而来的电能以及一些推进剂,这样就能让空间站的化学推进剂消耗下降一个数量级。

我国还在研究更加先进、推力更强的霍尔推进器,目前正在研制的HET-450,其地面试验产生的最大推力可达4.5牛。不远的将来,这些强大的霍尔推进器就能应用于我国的空间站,甚至我国的载人登月任务。

在我国电推进技术研究取得巨大成就的如今,也不要忘了中国航天之父钱学森的付出。当年正是钱老的高瞻远瞩,我国早在上个世纪60年代就开始了电推进技术的研究,正是有了前人打下的坚实基础,才有我们如今世界先进的水平。

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