放弃化学燃料,超越美国空间站,中国空间站离子电推为啥这么牛?

2021-05-14

自从俄罗斯空间站和平号退役后,我国一直被以美国为主导的西方空间站拒之门外。而2021年4月29日,“天和”号发射升空并成功并轨,标志着我国空间站“天宫”开始修建,我国也正式迈入空间战行列。今明两年,我国将陆续实施11次飞行任务,直至空间战建成。从最初“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”到今天“大鹏一日同风起,扶摇直上九万里”,我国科研人员终于打破垄断,走出属于中国自己的航天之路,走得还更稳,更优秀!其中一大优秀的点就是采用了霍尔离子电推系统。那么,为什么霍尔离子电推系统这么牛呢?又为什么配备电离子系统的中国空间站能超越美国空间站呢?

想必大家都知道,月亮绕着地球旋转、地球绕着太阳旋转,都不需要外部推动力。那为什么空间站需要动力系统维持呢?主要有两点原因。第一点是维持空间站原始运行高度。虽然外太空近似真空,但地球大气层散漫,甚至在月球轨道都还有大气分子,而空间站的轨道更近,大约离地球400公里,因此在此轨道运行很容易撞上大气分子,时间长了,会使得空间站运行高度下降。此时就需要动力来推进空间站维持原有高度,但并不需要发射时那么大的推动力。举个例子,相信很多人都开过车,车刚开始发动时,需要轰油门来产生推力提速,但一旦行驶正常后,再提速就只需稍稍增加一点油,就可以达到相同的车速。第二点是规避太空中的障碍物。国际航空发展这么多年,发射的各种卫星、探测器不胜枚举,产生的太空垃圾和外太空本身存在的陨石等对空间站顺畅运行产生很大阻碍。如果要规避此类东西,就需要依靠动力推动空间站避让。

那么,可以用什么样的方式来解决动力需求呢?目前,国际通用的主要有两种方式:化学燃料和电离子推动系统。化学燃料通过燃烧产生高速喷气,然后反推空间站向前运动。这种方式是运用最普遍,也最成熟。美国的空间站采用的就是这种动力方式。

而什么是离子电推系统呢?离子电推系统是有别于化学燃料推进系统的非常规推进系统。借助电能使得使工质离解成为带电粒子,再加速这种带电粒子流来获得推力。传统火箭采用化学燃料燃烧喷出的高速气体产生推力,离子电推系统通过喷出带电粒子或者离子来产生推力,而一般而言,飞行器上的电力是有限的,因此电离子推进器推力较弱。电离子推进方式1906年就已经提出;1998年,NASA第一次成功运用其进行深空探测任务;2014年日本发射的隼鸟号也搭载了三颗电离子推进器,成功执行任务。中国此次搭载的电离子推进器是中国航天科技集团公司五院研制出来的LHT—100霍尔电推进系统,也是首次用于大型飞行器。

相信看到这里,可能有些朋友就会疑惑电离子推进器推力弱,为什么还能用在太空站呢?其实主要有三个的原因。首先,就是其使用时间长。太空站已经依靠化石燃料的巨大推力送到固定轨道,那么接下来所需要的推力就不用太大,只需要提供上诉两种所需推力,而电力可以通过太阳能提供,从而长时间产生推力。其次就是能量利用率高。电离子推进器的能量利用率能够达到90%,而化学燃料仅能够达到35%。在推动方式中,在给航天器提供相同的速度增量时,一般比冲越高,所需的原料就越少。化学燃料中比冲最高的氢氧机可以达到450s左右,而电离子推进器的比冲可以达到1500s到3000s,因此,采用电离子推进器可以节约很多成本,比如燃料补给次数、燃料耗费量。再者,能够节省很大空间。传统化学燃料虽然推力很大,但是消耗很惊人。举个例子,美国阿波罗计划发射的土星号,搭载的每台发动机可以产生700吨推动力,总共五台合力3500吨,但每秒需要燃烧13吨的燃料,消耗惊人。因此,当时土星号第一级总重2290吨,但燃料就重达2160吨。而对比我国“天和”号搭载的霍尔电离子推进系统,每年消耗的燃料可以降低至百公斤级,可以说比化学燃料的消耗降低了一个量级。

看到这里大家应该能够明白电离子推进系统的优秀之处,那么未来搭载了霍尔电离子系统的“天宫”空间站能够比美国现役国际空间站优良多少呢?首先,我们需要明白美国采用的是化学燃料推进方式,每年燃料消耗巨大。但目前补充燃料的“先进”号载荷能力仅有2.3吨,其中用于燃料的载荷仅有一吨,因此,美国空间站每年需要补充四次燃料,耗费极大。而我国采用霍尔电离子推进器,消耗的燃料足足低了一个量级,每年仅需补充一次燃料,因此,在燃料耗费上边,我国的天宫能够甩美国国际空间站几条街。其次,我国将燃料和输送燃料次数的成本节约下来,就能够在其他方面加大投入,比如此次“天和”配备的爬虫式机械臂,就使得我国空间站功能更齐全,性能比美国空间站更优异。

从无到有,从有到优秀,这是以前我国航天走过的路,也是很多中国科技走过的路,而今天,我们的航天技术不再只是优秀,而是将对手甩在身后,我国很多科技也在世界处于引领地位。前十五年太空站看美国,今后十五年甚至更久,太空站就得向中国看齐了。以前,美国利用其太空霸权多次驳回我国加入国际空间站的申请,而随着美国空间站服务时限到来,太空研究主导权将掌握在我国手中,那么风水轮流转,轮到美国为首的西方国家向我们服软了。我们的征途是星辰大海,外太空的未来,一定在我们国家手里。

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来源:网易新闻