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能推动地球“流浪”的中国动力

虽然太阳系在整个宇宙中所占据的位置,不过就像大海中的一粒沙子,但是人类探索宇宙的脚步所及,也刚刚到达太阳系的边缘。要想走的更远,这在很大程度上决定于人类航天器所依赖的动力能否支撑更长的时间,消耗更少的燃料。

 

所以在地球面临毁灭的时候,刘慈欣在《流浪地球》中为地球做出的选择,是离开太阳系。

 

在《三体》中,为地球生命留下火种的本应是一支侥幸生存的舰队,但最后活下来的,只是一两个人。而在《流浪地球》中,大刘为人类选择的生存方式,显然更有生命力。

 

他想让整个地球活下来。

 

但是要让整个地球活下来,就要让整个地球找到太阳系之外的另一个能够活下来的地方。而推动地球踏上流浪之路,并找到下一个家园的动力,只有离子发动机。

 

离子发动机并不是第一次在电影中出现。

 

在很多科幻电影中,航天器所喷射的物质,不像我们经常见到的那种磅礴的烈焰,而是一束幽蓝的光。在这些大导演的眼中,这才是深空探索和星际旅行所能够依靠的动力之源。

 

它们不是使用化学燃料提供能源,而是用电,这使得它们看似冷冰冰的尾焰,温度要比化学火箭高的多。

 

“有一次我们在实验室测试发动机羽流对材料的烧蚀特性,把一块陶瓷样片凑到发动机喷口,能耐温3000多度的陶瓷边缘就一滴滴熔化了。”——哈尔滨工业大学能源学院于达仁教授。

 

在很多人印象中,中国的航天技术水平,往往要落后美国、俄罗斯二三十年,但是于达仁教授团队和航天502所合作研制的这种被称为“磁聚焦型霍尔电推力器”的电推进发动机,是国外还没有上天的前沿动力技术。

 

2016年11月3日,安装着中国新一代磁聚焦型霍尔电推力器HEP-100MF的实践十七号卫星,搭载“长征五号”运载火箭在海南文昌卫星发射中心发射升空。20天后,推力器在地球同步轨道点火成功,标志着磁聚焦型霍尔电推力器在国际上首次实现空间应用。

 

虽然在这颗卫星上,这种推进装置的主要作用还是调整轨道和姿态,但是这种霍尔推进器很快将成为卫星和各种航天器的主发动机;未来,它将被广泛应用于空间站、深空探测、高低轨地球卫星轨道控制等领域。

 

化学推进vs电推进

 

美国上世纪60,70年代研制,用于执行阿波罗登月计划的“土星5号”,是人类历史上最为强大的火箭,它的强劲动力,至今仍然是一座难以逾越的高峰,它可以将120吨的有效载荷发射到地球轨道,45吨的有效载荷发射到月球。

 

与之相比,目前中国推力最大的长征5号,运载能力只是它的八分之一。

 

但是120吨的有效载荷,和“土星5号”自身的重量相比,简直不值一提。它的第一级装有2075吨液氧煤油推进剂,发动机点火后,这些燃料在2分34秒内就全部烧完,在它全部能够产生的3500吨推力中,很大一部分被用来推动火箭自身和2000多吨燃料。

 

这就是化学火箭的局限性,其大部分燃料消耗用来克服燃料自身所受的地球引力,剩余的一点则被用来推动火箭的“太空滑行”。火箭飞往目的地,主要是依靠惯性。对于星际飞行来说,这种引擎显然力不从心。

 

在航天上一般用“比冲”,也就是单位重量推进剂产生的冲量来衡量推进系统的效率。比冲的单位是秒,可以理解为火箭发动机利用一公斤燃料可以持续多少秒一直产生一公斤的推力。

 

一般化学燃料火箭发动机的比冲可以达到300多秒,而电推进比化学推进的比冲大得多,可以达到前者的数倍到十倍以上。所以它所需的推进剂将会少的多,从而增加卫星的有效载荷,提高卫星性能和效益。

 

当然电推进也有它的缺点,就是推力很小,要在大气层内克服大气阻力依然力不从心,只能用于太空中卫星的位置保持、重定位和姿态控制。但对一些在轨推进的任务,电推进有明显的优势,它不仅节省燃料,而且可以获得比化学推进更高的控制精度,对一些超高精度航天器定位的任务而言,非电推进莫属。

 

如果说化学燃料发动机是短跑冠军和大力士的话,电推进发动机则更擅长马拉松。

 

1998年发射的深空1号(Deep Space 1),由德尔塔火箭送上太空,然后由离子发动机推动。它的离子发动机产生0.09牛顿的推力,比冲量相当于液体火箭的10倍。每天消耗100克氙推进剂,在发动机满载运转的情况下,每过一天时速就增加25~32千米。它最终的工作时间超过14000小时,超过了此前所有传统化学火箭发动机工作时间的总和。

深空一号

虽然离子发动机过去在卫星上经常使用,但都是作为辅助发动机,用于姿态调整或者轨道维持;而深空1号第一次将离子发动机作为主发动机使用。深空1号的离子发动机也是迄今为止将电能向推力转化效率最高的,在太空中运行寿命最长的,也是比冲量最高的,比冲量超过3000秒。

 

离子发动机的最大缺点是推重比太小,其推力只相当于一张纸对于你的手的压力,显然这样的发动机无法让飞船和探测器脱离地球的重力场,也无法携带大的负载。但这个缺点却被这种发动机在太空中的表现弥补了,由于它优越的比冲量 ,它最终能把传统的化学火箭远远抛在身后。

 

采用全电推进,可少带燃料从而将卫星的发射重量大幅降低,比如说主流的5~7吨的通信卫星可降至为2~4吨,由此便有更低的运载发射成本,可以搭载更多的任务载荷设备,使得卫星的性能更为强大。采用化学推进的卫星在设计上寿命都很难突破15年,原因就是火箭发动机的燃料携带量的限制,但采用电推进后卫星的寿命就可以达到18~20年,这也是发展深空探测器的技术基础。

 

 

超越前人

 

上世纪60年代,前苏联和美国都相继开始了电推进发动机的研制工作,分别确定了两种技术路线,前苏联是以莫洛佐夫教授主导的霍尔推力器,而美国则主要是以考夫曼教授主持的离子推进器。

 

前者属于等离子体推力器,后者属于静电式推进器,这也是目前电推进器中的两种主流类型。离子的生成,主要的方式是利用直流放电产生电子,轰击易电离的惰性气体氙,使其原子电离产生离子,然后利用加速喷出,产生推力。两者的最大区别,是离子推进器采用静电场加速,霍尔推进器是利用电磁场的霍尔效应进行加速。

 

离子推进器的电离区和加速区是分离的,相对说来效率更高,比冲更高,但是缺点是结构复杂。霍尔推进器的电离和加速是一气呵成的,利用磁场的强弱控制电子来适应电离区和加速区的不同需求,因而推进器相对简单,体积尺寸可以做到更小,可靠性会更高,但是缺点是比冲稍低于离子推力器,且羽流角偏大。

 

和霍尔推力器加速既含有离子也含有电子,对外呈中性的等离子体相比,离子发动机的加速区中只有带正电的离子,由于同性电荷之间的排斥作用导致离子密度没有等离子体大,要达到同样的推力,发动机的体积要大几倍。

 

霍尔推力器主要由霍尔加速器和空心阴极两部分组成,其中霍尔加速器提供推进剂电离、加速区域,推进剂被电磁场加速产生推力;空心阴极负责提供产生电子,用于电离推进剂并中和羽流中的离子,它可以使用多种推进剂,最常用的是氙,其他推进剂包括氡、氩、铋、碘、镁和锌。

 

“霍尔推力器最大的难度在于,需要在发动机中设计好适合的磁场,把电子管住。”哈尔滨工业大学能源学院于达仁教授。

 

中国、欧洲、俄罗斯和美国在这方面的主要兴趣是降低卫星控制的燃料成本,因卫星在运行中轨道将逐步降低或偏离需要持续的控制,传统化学火箭消耗燃料速度较快,使卫星寿命无法进一步延长,而电火箭则可以大大延长卫星寿命。

 

中国航天科技集团五院510所、502所、六院801所的离子和霍尔电推进系统都搞的不错,指标都达到世界先进水平,下一步就是工程应用,先在试验卫星上用一下,然后可应用在通信卫星、空间探测器上,进行姿态控制和轨道控制。目前,虽然电推进系统发动机比冲是化学能发动机的10倍,但推力太小,所以还不能用作主发动机。——中国空间技术研究院研究员、《国际太空》副主编庞之浩。

 

据《兰州日报》报道,510所是国内最早开展电推进技术研究的单位,早在1974年就开始研制离子电推力系统,到了1986年研制了80毫米汞离子电推进,该成果于1987年获得了国家科技进步一等奖,在当时达到了国际领先水平,但由于当时科学技术的制约,以及美国也没有开始应用,国家相关部门决定不再从事离子电推进系统的研究。而这一放就是十年。

 

直到1997年,美国的SPI卫星上首次应用了离子电推进系统,在世界航天界引起轰动。1999年国家相关部门开始对离子电推进器进行二次研究。这时510所立刻投入到了研究之中,在1999年至2004年研制了200毫米离子电推进系统原理样机,主要性能达到国外同类产品水平。

 

中国在电推进上的研究,从上世纪90年代末的重新起步,到现在已经初具规模。

 

哈尔滨工业大学物理系教授王晓钢曾经撰文透露,早在80年代初东方红卫星平台就打算用电推进,可惜就停了,一等就是30年。当时的一位设计师,后来的嫦娥总师在2010年北航开的第六届全国电推进技术学术研讨会上,提起这件事,还是有很多遗憾。

 

2005年,于达仁教授发起在哈尓滨工业大学召开第一届全国电推进年会,当时只有20多人,到2016年,仅提交的报告就达到150篇,国内的电推进研究队伍也从无到有发展起来,正在研制的电推进器也已经有很多种。

 

2012年10月14日,中国首颗民用新技术试验卫星实践九号发射成功,并成功进行了轨道试验,在当年11月的珠海航展上,中国航天科技集团也展出了LIPS-200离子电推进器和LHT-100霍尔电推进器。

 

其中这两款推进器都来自510所,510所所长张伟文当时告诉记者:“这两次点火虽然只用了7分钟的时间,可是为了这7分钟的成功,我们却花了40年来研究。”

 

王晓钢说,回想起这些年国内电推进研究走过的路和今日的成功,心情无以言表。

 

据《中国航天报》报道,2015年春节假期刚过,中国航天科技集团公司六院801所传来好消息:我国霍尔电推进技术取得重大突破——80mN霍尔推力器的空心阴极长寿命试验突破18000小时,累计点火15000次,远超7500小时、累计点火8000次的典型任务指标要求。

 

801所是在“两弹一星”元勋任新民院士的倡导下,于1994年在国内率先开展霍尔电推进技术和应用研究。20多年来,该所研制了多款霍尔推力器、多模式霍尔推力器和我国首套霍尔电推进系统,实现了我国霍尔电推进的首次空间飞行,使我国成为继俄、美、欧之后第四个掌握霍尔电推进技术的国家。

任新民院士

霍尔推力器功率覆盖0.1〜50kW,将应用在静止轨道卫星、低轨卫星、深空探测器和大型载人航天器上,将大幅提升航天器承载能力、寿命和综合性能。

 

国内三家主要的电推进发动机都已经比较成熟,达到国际领先水平,这有助于我们实现卫星姿态的精准调节和长寿命运行,由于离子推进器和霍尔推进器在工作原理上的差别,前者比冲比较大,后者推力比较大,各自有不同的工作场合。——航天科技集团五院通信卫星事业部负责实践17号卫星电推进应用的温正工程师。

 

 

世界最强

 

2016年年初,香港《南华早报》援引《科技日报》的报道发表文章称,中国研制出世界上最强大的离子喷气发动机。报道称,中国航天科技集团公司第五研究院502所专家向客户展示了新一代离子发动机,性能高于卫星和飞船目前使用的同类产品。此款离子发动机的喷气速度可达30公里/秒。但研制人员称,下一步还可将这一指标提高30%。

 

这款发动机,其实就是502所和哈尔滨工业大学于达仁教授的团队合作的产物——磁聚焦型霍尔推力器,被《南华早报》误读为离子喷气发动机,实际上两者在工作原理上是不同的。而世界最强这个判断,却是实至名归,“磁聚焦霍尔推进器”的技术进步就体现在,比冲、效率等方面性能指标较于国外同类产品提升了20%以上。

 

即便是率先发明霍尔推进技术的俄罗斯,当时也仍在研究磁聚焦型霍尔推进技术,但还停留在实验室阶段,尚未研制成功航天型号,更没有开展在轨飞行验证。

 

上世纪90年代,15岁就进入哈尔滨工业大学,毕业后留校任教的于达仁刚刚30出头,已经是能源学院的副院长。但是一直从事的传统热能动力技术研究,让他觉得已经没有太多挑战。这时候国际上开始流传出前苏联的关于霍尔推力器的技术方向。这对他是一个全新的事物。

 

当时他们和国内几家科研单位讨论的结果是,与其模仿前苏联的技术,不如想法超越他们。虽然霍尔推力器可以做的体积比较小,但是等离子体在喷射出来的时候,喷射的方向不像喷射离子那样容易控制方向,很大一部分能量就被浪费掉了。

 

因此于达仁教授团队的目标就是实现对等离子体喷射的磁约束。

 

实现磁约束,实际上也是莫洛佐夫教授的目标,当他们去俄罗斯拜访莫洛佐夫教授时,看到他们磁约束的实验效果就被深深吸引了。但也发现俄罗斯的技术存在缺陷,等离子体有时能够约束住,有时又约束不住,在发动机没受到明显扰动的情况下,磁约束的效果呈现不确定性,而这是航天应用的大忌。

 

“祖师爷遇到的问题,也是一会儿好使一会儿不好使,”于达仁说,“即使只有一秒钟呈现磁聚焦状态,就说明肯定存在一种可能性让它好使。我们就是要找出这一种苛刻的条件,把所有的这些关键控制因素可靠地控制住,就能可靠地实现磁聚焦”。

 

他们把各种稀奇古怪的影响因素,原来的祖师爷没找出来的,都给找出来,都给控制住,就把磁聚焦可靠的实现了,在国际同行中首先解决了这个走向航天应用的瓶颈问题。

 

他们2016年搭载长征5号升空的霍尔发动机,在地球同步轨道实现了成功点火,不仅在效率上提高了至少10%,比冲提高20%,并且用磁聚焦的方法限制住了羽流的发散,否则这么高的能量,发散角太大,喷口附近什么元件都不能装,就限制了应用场合,电池板、天线就会受到影响。

 

当然离子发动机就没有这种问题,因为没有离子和电子的相互影响,羽流是不发散的,但是体积要大好几倍。

 

于达仁透露,他们的下一代磁聚焦型霍尔推进器的性能还将有大幅度的提高,届时将可以作为航天器的主发动机,可以把卫星从200多公里的低轨道,送到3万多公里高空的地球同步轨道。这就需要在很宽的推力范围内都要保证磁聚焦,难度就要更大。

 

更高难的,是参与测量引力波的天琴计划,要把相距上百万公里的两颗卫星之间的距离稳定住,就需要把非常微小的各种干扰力抵消掉,否则就测量不到引力波。这就需要高精度的电推进,就连太阳光的光压都需要抵消掉,推力需要降低到几个微牛的级别。

 

“要进行深空探测,只要国家有计划,我国的电推进技术现在已经可以进入应用阶段了。”他说。现在我们一年干的活,夸张的说相当于过去十年。我们现在发布了一个发动机,后面还等着好几个。

 

“过去我们刚刚工作的时候,跟西方国家没法比,现在是信心十足,有些做的要更好、更强。”

 



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