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據(jù)公開消息，問天實驗艙長達(dá)17.7m，直徑4.2米，干重約21500kg，是目前長度最長、直徑最大的單體載人航天器，加上額外的1550千克推進劑，發(fā)射質(zhì)量將超過23噸。 看到這里相信大家都有個疑問，天宮空間站不是已經(jīng)有了電推么，為何還要那么多燃料，這些燃料究竟是電推準(zhǔn)備的還是化學(xué)燃料準(zhǔn)備的？ 1.5噸燃料：究竟是液氙還是肼類燃料？突然跑出這個問題，估計大家都有點懵，氙不是惰性氣體么？怎么和燃料扯上關(guān)系了？事實上氙這個54號元素正是很多離子電推或者霍爾電推的發(fā)動機“燃料”，它的工作原理描述起來倒是不難理解，就是實現(xiàn)起來難度不小。 無論是霍爾還是離子電推，它的原理基本都是這樣的：將“燃料”電離，區(qū)分出離子（帶正電的原子核）和電子，然后將兩者分離，離子電推中是利用電場加速離子，最后電子用電子槍注入尾流，否則航天器上電荷不斷增加，不是一個好事。 霍爾電推則是利用磁場分別加速離子和電子，最后從電推發(fā)動機“尾噴口”高速噴出，與離子電推相比兩者在結(jié)構(gòu)和比沖上差別都非常大，我們今天不關(guān)心結(jié)構(gòu)，只關(guān)心它們的“輸出”。 離子電推的比沖很高，可以達(dá)到3000S以上，但推力比較低，只有微牛以及毫牛級別，而霍爾電推則可以達(dá)到毫牛以及牛頓級別，但比沖只能達(dá)到1500S左右，不過推力要比離子電推大得多，因此在航天器以及深空探測上霍爾電推的應(yīng)用更廣泛。 關(guān)于電推的燃料還不少，基本上容易電離且原子序數(shù)比較高的元素都可能被選擇作為“燃料”，比如上文中的氙，還有早期的汞也是，不過有毒被放棄了，但現(xiàn)在似乎又有人要把它請回來，畢竟成本實在是很低，另外還有氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅也是可以的，這完全超出了一般人對于“燃料”的概念。 究竟是氙還是肼類燃料？ 天宮空間站用的離子發(fā)動機是LHT-100型霍爾電推推進器，用的是氙，其單臺推進力為80毫牛，四臺加起來也才320毫牛，也就是0.32牛頓，暫時我們不考慮推力，先區(qū)分出是哪種“燃料”。 液氙屬于高壓液化氣體，確實是可以用氣罐裝的，問天實驗艙上的燃料罐似乎也有可能，但1.5噸液氙似乎又不太可能！假如用在天宮空間站上，按霍爾電推的推力估計，這幾年都用不掉！而根據(jù)肼類燃料在火箭燃料罐的形狀來推斷，這個球體罐應(yīng)該就是肼類燃料罐。 肼類燃料基本上指的是四氧化二氮和偏二甲肼，盡管都是有毒燃料，但這倆玩意兒相遇就燃燒，不存在點火難題，因此在變推力發(fā)動機以及需要多次重復(fù)點火的發(fā)動機基本都是這種燃料，而天宮空間站在其壽命期內(nèi)需要“無數(shù)次”點火，因此肼類燃料的可能性是極高的。 已經(jīng)有了電推，為何還要那么多化學(xué)燃料分清楚了到底是氙和肼類燃料之后估計大家更懵了，因為天和核心艙上天后各個媒體都在發(fā)文稱核心艙安裝的LHT-100型霍爾電推推進器非常先進，燃料極端節(jié)省，與國際空間站相比燃料節(jié)省率差一個數(shù)量級，但現(xiàn)在又在問天實驗艙上安裝了化學(xué)燃料發(fā)動機，這不是打臉么？其實不然，下文就簡單來了解下為何要這樣操作。 天宮空間站為什么還要發(fā)動機？ 原因很簡單，因為在空間站的高度（離地約390千米）仍然存在大量的稀薄大氣分子，長期運行會對空間站造成不少阻力，因此需要發(fā)動機時不時的推動一下，比如國際空間站每年消耗在軌道維持的燃料在5~7噸之間，這個消耗實在比較大，畢竟在空間站上每千克的運輸成本就高達(dá)1-2萬美元。 我國的LHT-100型霍爾電推推進發(fā)動機主要就是干這個用途的，盡管它推力只有0.32牛頓，但長期開機，加速天宮空間站也可以將其軌道維持在一定的高度，而其燃料消耗率很低，比起國際空間站動輒數(shù)噸的燃料，天宮的消耗估計在千克級別，真的是數(shù)量級的差別，節(jié)省過了大量貨運飛船的空間。 有了電推進發(fā)動機為何還要化學(xué)燃料發(fā)動機？ 在問天實驗艙的錐形部位，總共有36個發(fā)動機，其中4個比較大的是軌道機動發(fā)動機，另外有32個屬于姿態(tài)控制的發(fā)動機，這是精確控制空間站的姿態(tài)，不過輔助姿態(tài)控制的還有“無源”的動量輪，它只需要電力即可調(diào)整空間站的姿態(tài)，這里無源的意思是不消耗燃料，只消耗太空中唾手可得的電力。 之所以還要用化學(xué)燃料發(fā)動機是因為電推進發(fā)動機的推力太低了，盡管可以維持軌道，但它作為軌道機動使用就有點勉為其難了，因為在目前條件下，至少有兩種軌道操作行為是必須用大推力發(fā)動機的：
前者大家都能理解，這個太空垃圾軌道計算后預(yù)計與某月某日路過空間站附近時可能會造成威脅，因此空間站必須在這個時間節(jié)點前改變軌道躲避，如果提早幾個月的話估計電推發(fā)動機是可以調(diào)整的，但如果只有幾天時間的話，可能根本就來不及，因此需要大推力發(fā)動機才能立刻調(diào)整軌道。 還有一個則是調(diào)相機動，很多朋友對這個機動不太了解，簡單的說就是將空間站在地球上投影的星下點（有點類似正弦波軌跡）的相位往前或者往后調(diào)整改下，以便星下點經(jīng)過某個位置，為飛船快速返回或者飛船比如本次的問天實驗艙快速對接做好準(zhǔn)備。 比如此前我國的飛船與天宮一號和二號對接時至少需要兩天時間，這是因為兩者軌道相差比較大，飛船發(fā)射后要去追目標(biāo)飛行器，慢慢調(diào)整到可以對接時2天已經(jīng)過去了！這航天員在飛船里穿著尿不濕，坐上兩天，估計臉都要綠了！ 現(xiàn)在有了能自由機動的天宮空間站就省事了，調(diào)整相位，迎接飛船快速對接，發(fā)射后6.5小時就能對接空間站，就像一趟長途汽車，忍忍就到了哈！不過這個調(diào)相可能會經(jīng)過多次，也要求在短期內(nèi)完成，比如幾天，能滿足這個要求的目前而言也只能化學(xué)能發(fā)動機。 延伸閱讀：更大的電推 2022年1月29日，觀察者網(wǎng)官方微博發(fā)布了一個重大新聞，我國百千瓦級霍爾推力器性能達(dá)到國際先進水平！航天科技集團五院510所大功率霍爾電推進技術(shù)取得重大突破：
這種級別的霍爾電推進發(fā)動機只要多裝幾臺，在天宮空間站上應(yīng)對軌道機動就比較有可能了，只是它的功率消耗有點大，比如目前我國天宮空間站上太陽能電池能提供的功率也只有十幾千瓦，未來擴展后也不過100千瓦左右，如果在軌道調(diào)整的短期內(nèi)要達(dá)到這個功率，那么有三種辦法：
似乎前后兩種都有點不太靠譜，只能加個蓄電池，比如航天級但鋰離子電池，能提供百千瓦級的電池重量還不小，與化學(xué)燃料相比，不知道性價比如何，這個得有航天專家測算下，據(jù)種花家估計，這種用電但非常節(jié)省燃料的發(fā)動機一定是深空探測的未來。 比如在這個發(fā)動機的未來應(yīng)用上就有登月以及行星探測等前景應(yīng)用，希望這種電推發(fā)動機能達(dá)到數(shù)十牛級別甚至更高，那么未來的載人火星登陸也將更為現(xiàn)實。（完） |
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霍爾電推結(jié)構(gòu)原理圖
不同燃料下的離子發(fā)動機尾焰顏色
這個角度能看到四個球形燃料罐
安裝在Fregat上面級的火星快車
阿波羅登月飛船的結(jié)構(gòu)
