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放棄化學燃料,超越美國空間站,中國空間站離子電推為啥這么牛?

2021-05-14

自從俄羅斯空間站和平號退役后,我國一直被以美國為主導的西方空間站拒之門外。而2021年4月29日,“天和”號發射升空并成功并軌,標志著我國空間站“天宮”開始修建,我國也正式邁入空間戰行列。今明兩年,我國將陸續實施11次飛行任務,直至空間戰建成。從最初“路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索”到今天“大鵬一日同風起,扶搖直上九萬里”,我國科研人員終于打破壟斷,走出屬于中國自己的航天之路,走得還更穩,更優秀!其中一大優秀的點就是采用了霍爾離子電推系統。那么,為什么霍爾離子電推系統這么牛呢?又為什么配備電離子系統的中國空間站能超越美國空間站呢?

想必大家都知道,月亮繞著地球旋轉、地球繞著太陽旋轉,都不需要外部推動力。那為什么空間站需要動力系統維持呢?主要有兩點原因。第一點是維持空間站原始運行高度。雖然外太空近似真空,但地球大氣層散漫,甚至在月球軌道都還有大氣分子,而空間站的軌道更近,大約離地球400公里,因此在此軌道運行很容易撞上大氣分子,時間長了,會使得空間站運行高度下降。此時就需要動力來推進空間站維持原有高度,但并不需要發射時那么大的推動力。舉個例子,相信很多人都開過車,車剛開始發動時,需要轟油門來產生推力提速,但一旦行駛正常后,再提速就只需稍稍增加一點油,就可以達到相同的車速。第二點是規避太空中的障礙物。國際航空發展這么多年,發射的各種衛星、探測器不勝枚舉,產生的太空垃圾和外太空本身存在的隕石等對空間站順暢運行產生很大阻礙。如果要規避此類東西,就需要依靠動力推動空間站避讓。

那么,可以用什么樣的方式來解決動力需求呢?目前,國際通用的主要有兩種方式:化學燃料和電離子推動系統?;瘜W燃料通過燃燒產生高速噴氣,然后反推空間站向前運動。這種方式是運用最普遍,也最成熟。美國的空間站采用的就是這種動力方式。

而什么是離子電推系統呢?離子電推系統是有別于化學燃料推進系統的非常規推進系統。借助電能使得使工質離解成為帶電粒子,再加速這種帶電粒子流來獲得推力。傳統火箭采用化學燃料燃燒噴出的高速氣體產生推力,離子電推系統通過噴出帶電粒子或者離子來產生推力,而一般而言,飛行器上的電力是有限的,因此電離子推進器推力較弱。電離子推進方式1906年就已經提出;1998年,NASA第一次成功運用其進行深空探測任務;2014年日本發射的隼鳥號也搭載了三顆電離子推進器,成功執行任務。中國此次搭載的電離子推進器是中國航天科技集團公司五院研制出來的LHT—100霍爾電推進系統,也是首次用于大型飛行器。

相信看到這里,可能有些朋友就會疑惑電離子推進器推力弱,為什么還能用在太空站呢?其實主要有三個的原因。首先,就是其使用時間長。太空站已經依靠化石燃料的巨大推力送到固定軌道,那么接下來所需要的推力就不用太大,只需要提供上訴兩種所需推力,而電力可以通過太陽能提供,從而長時間產生推力。其次就是能量利用率高。電離子推進器的能量利用率能夠達到90%,而化學燃料僅能夠達到35%。在推動方式中,在給航天器提供相同的速度增量時,一般比沖越高,所需的原料就越少?;瘜W燃料中比沖最高的氫氧機可以達到450s左右,而電離子推進器的比沖可以達到1500s到3000s,因此,采用電離子推進器可以節約很多成本,比如燃料補給次數、燃料耗費量。再者,能夠節省很大空間。傳統化學燃料雖然推力很大,但是消耗很驚人。舉個例子,美國阿波羅計劃發射的土星號,搭載的每臺發動機可以產生700噸推動力,總共五臺合力3500噸,但每秒需要燃燒13噸的燃料,消耗驚人。因此,當時土星號第一級總重2290噸,但燃料就重達2160噸。而對比我國“天和”號搭載的霍爾電離子推進系統,每年消耗的燃料可以降低至百公斤級,可以說比化學燃料的消耗降低了一個量級。

看到這里大家應該能夠明白電離子推進系統的優秀之處,那么未來搭載了霍爾電離子系統的“天宮”空間站能夠比美國現役國際空間站優良多少呢?首先,我們需要明白美國采用的是化學燃料推進方式,每年燃料消耗巨大。但目前補充燃料的“先進”號載荷能力僅有2.3噸,其中用于燃料的載荷僅有一噸,因此,美國空間站每年需要補充四次燃料,耗費極大。而我國采用霍爾電離子推進器,消耗的燃料足足低了一個量級,每年僅需補充一次燃料,因此,在燃料耗費上邊,我國的天宮能夠甩美國國際空間站幾條街。其次,我國將燃料和輸送燃料次數的成本節約下來,就能夠在其他方面加大投入,比如此次“天和”配備的爬蟲式機械臂,就使得我國空間站功能更齊全,性能比美國空間站更優異。

從無到有,從有到優秀,這是以前我國航天走過的路,也是很多中國科技走過的路,而今天,我們的航天技術不再只是優秀,而是將對手甩在身后,我國很多科技也在世界處于引領地位。前十五年太空站看美國,今后十五年甚至更久,太空站就得向中國看齊了。以前,美國利用其太空霸權多次駁回我國加入國際空間站的申請,而隨著美國空間站服務時限到來,太空研究主導權將掌握在我國手中,那么風水輪流轉,輪到美國為首的西方國家向我們服軟了。我們的征途是星辰大海,外太空的未來,一定在我們國家手里。

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來源:網易新聞