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中国空间站喷电子:4台一起喷,精准太空走位,国际空间站做不到

作者:王亚男航空说

中国空间站上面装备了4台特殊发动机,只有“吹灰之力”却意义重大,是全球第一次在载人任务中使用这类设备。大陆在这个领域曾经落后国外,但随着近些年开始发力,成果不断涌现,甚至都已打破国外纪录,呈现赶超之势。

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(天宫核心舱电推工作效果图)

神舟十五发射,与神舟十四的航天员,在400公里高度的太空会师。六位无比熟悉的战友们阔别数月,在失重状态下重逢,让人别有一番感触。

但400公里高空中,依然还有稀薄大气,有微弱的阻力,几个月下来,就会让空间站速度损耗、高度降低,不能保持轨道。

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(400公里轨道上的天宫依然会遭遇空气阻力)

为了弥补轨道损失,空间站和卫星都需要定期进行轨道维持,用动力提升轨道高度,天宫当然也不例外。只不过,这次天宫配备的发动机,有些奇怪,百吨级的空间站,使用的一款发动机,推力只有80毫牛。

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(核心舱上的电推特写,个头很小)

80毫牛什么概念?只能在地面上,托起2张A4纸。但这种只有【吹灰之力】的发动机,却是世界先进水平。

那么使用这种发动机有何目的、有什么优势?中国与国外相比,技术水平到底如何?

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(HET-80电推)

吹灰之力虽小,效率提升10倍

我们常见的化学能火箭发动机,通过化学物质燃烧,产生反作用力。气体喷射的速度越快,也就是比冲越高,推力越大,效率越强。但化学燃料比冲,已基本到了极限,很难有大突破。

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(常规火箭发动机,推力虽在提升,但比冲已经基本到极限)

由于比冲到了上限,一些卫星为了确保寿命,只能携带大量燃料。这些燃料有多重呢?一颗5吨的同步卫星里,有3吨是燃料。燃料只是配角,却占了大头,已经本末倒置。

这时,“吹灰之力”发动机就凸显出自己的优势,那就是【霍尔推力器】,也就是常说的【电推】。

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(霍尔推力器启动效果炫酷)

电推的原理就是将离子物质用强磁场发射出去,产生反作用力,比冲比化学火箭高了至少10倍。除了比冲高,霍尔电推的另一个价值,就是将太空取之不尽的电能,转化成动能。

因此,霍尔推进器又叫“等离子推进”,工作时候发出蓝绿光芒,跟美国科幻大片里的飞船很像,但中国人第一个把它用在了载人任务上。

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(将工质电离后,用磁力加速发射出去,产生推力)

靠着高比冲和外界来的能量,让霍尔电推获得了非常强的工作效率,只用500公斤工质,就能实现之前3吨燃料的效果,卫星总重量瞬间下降一半。

电推力发动机有何缺点?

霍尔电推相比化学动力,最大的缺点就是推力太小。

天宫使用的4台HET-80霍尔电推,单台推力83毫牛,功率1350瓦,全加起来也只能托起8张A4纸。这种级别推力,在现实中几乎无效,但好在太空比较特殊。

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不同工质的电推效果,分别是氙、铋、镁(绿色)、锌

由于轨道上的阻力也比微弱,霍尔电推可以说棋逢对手,用微小推力对抗微小阻力,通过长时间工作,用时间换效果。

早年中国电推,与国外还有差距

大陆霍尔电推技术,因为条件有限,经费紧张匮乏等情况,此前发展比较慢。

俄罗斯下手相对较早,大功率电推技术曾经领先全球,已经能生产1.5牛推力的电推,功率超过千瓦级,还造出140千瓦的全球最高功率电推D-160。

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(俄罗斯的高比冲电推)

但是近十几年,俄罗斯在航天投资大幅缩减,已被美国赶超。

2018年美国已经研制成功5.4牛、100千瓦的电推“X3”,是目前推力最大的型号。

欧洲电推技术缺乏后劲,此前曾与俄罗斯合作获得了不少支持,电推已经能突破1牛,但后续进展不是太快。

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(美国X3电推的直径超过1米)

中国电推技术一日千里 逐步反超

随着近些年国家在航天领域发力,大陆电推技术开始突飞猛进,与国外差距正在迅速缩小,还有赶超之势。

中国空间站上的电推,只有83毫牛,但这是人类首次在载人航天领域使用电推设备。该设备寿命超过3万小时,是国际上最复杂、最长寿的电推系统。

大陆电推技术还在其他多个技术领域斩关夺将,稳步推进。已经实现从100瓦到100千瓦的全面覆盖,实现大中小电推全面发展。

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(大陆霍尔推力器已实现系列化)

推力上,2020年大陆已经突破【牛级】,造出1.07牛的霍尔推力器,技术指标达到国际最高水平。2021年再接再厉,100千瓦、2-5牛的样机实现稳定点火。2022年,大陆【氙】工质HET-2000HP,比冲超过5300s,打破俄罗斯同类产品的世界纪录,有着很强的实用价值。

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(大陆首款牛级霍尔推力器启动后景象)

大功率、大推力霍尔推力器,是实现深空探索、火星、月球开发的重要技术领域,是一项跨时代的太空技术。在这个领域里,我们已经有望与其他太空强国比肩,甚至局部领域实现反超,未来可期。

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(未来中国的太空飞行器,可能会越来越多使用电推,科幻变成现实)

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