推动空间站的“耐力小勇士”

百科   2024-11-13 20:02   北京  


百年前,康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(苏联科学家,被尊称为“航天之父”)提出电推进的设想。2022年11月,中国载人空间站一期工程建设完成,空间站核心舱尾部除了常规配备的化学推进系统外,还配备了霍尔电推进系统,这标志着人类首次在载人航天领域应用电推进系统。


使用氪气、氙气(均为惰性气体)点火的霍尔推力器

(图源:《知识就是力量》杂志)


在太空中

“掂掂斤两”



遨游太空,也有两种选择


航天器遨游在太空中,会在微弱的阻力和地球、月球、太阳等引力的作用下逐渐偏离既定轨道,想要在太空中执行轨道和姿态的变化,就需要空间推进系统提供相应的推力。不同于飞机、汽车、轮船上需要混合空气的发动机,空间推进系统只需利用其自身携带的推进剂,就可以将不同形式的能量转换为动能。


双环嵌套霍尔推力器点火

(图源:《知识就是力量》杂志)


目前,航天器采用的空间推进系统技术主要分为两类:化学推进和电推进。化学推进需要推进剂在燃烧室中进行化学反应,产生高温、高压燃气,向后喷出,产生推力,我们经常在电视上见到火箭发射场景,其尾部喷出的“爆炸性”的火光和气流便是点燃推进剂后产生的现象;电推进则是利用电能对推进剂(或推进剂燃烧后的产物)加热或电离,使其加速、向后喷出,产生推力。

空间站核心舱霍尔电推进系统组成示意图

(图源:《知识就是力量》杂志)


为航天器减重


质量流量,指单位时间内流经一横断面的流体质量数量。由相应公式可得出:推力=推进剂喷出的质量流量×喷出速度。因此,在推力一定的情况下,推进剂喷出的速度越快,其质量流量就越小,而质量流量越小,推进剂消耗的速度就越慢。


航天器在发射时会携带大量推进剂,甚至远远超出其核心系统的质量,在“太空加油”技术不能广泛应用的当下,推进剂的储备量直接关系着绝大多数航天器的使用寿命。电推进的推进剂喷出速度通常比化学推进高,就像汽车可以“百公里油耗更低”,面对同样的任务目标,电推进可以消耗更少的推进剂。


例如,1颗质量5吨的地球同步轨道卫星,将其化学推进换成电推进,有效载荷(直接实现航天器特定任务的仪器、设备、人员、试验生物及试件等)不变的情况下,携带推进剂的质量能减少多达2.5~3吨;总质量不变的情况下,有效载荷可以翻倍增加,执行更多任务。


众多电推进技术中,霍尔电推进系统因综合性能优异,成为目前应用最广泛、推力器应用数量最多的电推进技术。



于粒子碰撞

间向前



与霍尔效应“手牵手”


霍尔效应是美国物理学家A·H·霍尔于1879年发现的一种电磁效应,即:当电流以垂直于磁场的方向通过磁场时,其带电粒子的运动会在磁场中因力的作用(该力简称为洛伦兹力)而偏向一边,因此产生电势差即电压,带电粒子的受力方向可用左手定则进行判断。


(图源:《知识就是力量》杂志)


霍尔电推进系统的核心——霍尔推力器,全名“霍尔效应推力器”,主要由霍尔加速器和空心阴极两大部分组成。


霍尔加速器


主要有放电室、内外磁线圈、阳极等结构。放电室一般为环形空间,可为推进剂流动、电离和加速提供通道。磁线圈以“大圈套小圈、外圈套内圈”的方式组合,在放电室通道口构成沿通道半径方向分布的强磁场。阳极同为环形,可产生轴向电场(存在于电荷或变化磁场周围空间里的一种特殊物质,可对置于其中的电荷施加作用力),其上有许多均匀分布的细小孔洞或缝隙,可均匀地分配推进剂。


(图源:《知识就是力量》杂志)


阳极使用的推进剂是一些中性的粒子流(因推进剂种类不同,这些中性的粒子可能为原子,也可能为分子,为方便叙述,下文均以原子为例),输送到推力器时一般为气态。


空心阴极


同时承担着点火和中和的功能,重要程度犹如心脏。启动时,空心阴极开始向外发射电子,部分电子被霍尔加速器内通着正电的阳极吸引,飞向放电室。但它们通常还未飞到阳极,就先被放电室出口处的强磁场“抓住”,因为它们与磁场方向垂直相交,受洛伦兹力的作用,它们开始沿着放电室的通道环面“转圈圈”,这就是霍尔漂移。大量电子在通道内漂移运动,形成了霍尔电流。


霍尔推力器工作原理图

(图源:《知识就是力量》杂志)


当然,这些电子不会一直停留在放电室出口处,其漂移会因撞击原子、壁面等而被打断,最终飞向阳极,形成空心阴极到阳极间的电流回路。


与等离子体“肩并肩”


电子“转圈圈”的同时,阳极向外喷出原子,这些原子撞上做漂移运动的电子,被电离(原子外层电子在碰撞下脱离原子核的引力束缚,成为自由电子,原子本身则变为带正电荷的离子)。轴向电场对这些离子施加作用力,使它们加速、喷出,产生推力。而空心阴极发射的电子中,未被阳极吸引的那部分电子会“撞”上这些喷出的离子,二者再次“中和”为中性的原子。


就这样,霍尔推力器同时向外喷出离子、电子、原子,形成了等离子体(由大量粒子组成的、整体上保持电中性的物质状态)羽流。因其电离、加速、中和等过程在宏观上都是稳定进行的,因此它又被称作“稳态等离子体推力器”。


可能大家会问,为什么电离产生的离子会喷出去,而不是像电子一样被“抓住”呢?这是因为离子的质量远大于电子(如氙离子的质量约是其电子质量的24万倍)。加速器中的磁场被精心设计,拥有合适的强度和形状,最强处被放置在放电室出口部分,主要用来约束电子,而对离子几乎不起作用,因此离子可以顺利“飞”出放电室。



推动庞然大物的

“小身板”



 理论上,霍尔推力器能产生非常大的推力,但目前航天器能够提供的电功率有限,所以它们的推力被限制在了毫牛量级。不过,航天器在太空中受到的阻力极小,毫牛量级的推力也能帮助航天器完成大范围轨道转移等任务。


霍尔推力器实物图及其地面点火状态

(图源:《知识就是力量》杂志)


中国空间站运行在距地面约400千米的高空轨道之上,飞行速度高达7.7千米/秒。在各种力的影响下,空间站的速度会不断减慢,轨道高度也不断下降,因此,空间站需要不断通过自身动力补偿大气阻力,维持正常的飞行速度和轨道高度。


霍尔电推进系统推进剂消耗慢、工作寿命长、能力强,能以毫末之力“细水长流”。经过综合考量,科研人员决定为空间站核心舱配置4台霍尔推力器,它们两两一对,对称安装在核心舱尾部两侧,推力为80毫牛,采用氙气推进剂。


2021年4月29日,核心舱随长征五号乙运载火箭发射入轨,9月,完成首次霍尔电推进系统在轨点火运行测试。该系统在国际多项技术上开创先河,霍尔推力器采用拔插的安装方式,还在随舱携带的2个小气瓶之外,预留了2个大气瓶的安装接口,航天员可以根据需要对其进行维护、升级和补充推进剂气瓶。


近年,国内外霍尔电推进系统的科研与应用创新不断,推力量级不断提升,推进剂种类增多,还实现了1台推力器嵌套两个及以上放电室,在小尺寸的前提下拥有更大功率、更大推力和更宽调节。载人月球探测、在轨服务、太空资源开采和利用、小行星防御等典型航天任务,都对霍尔电推进系统提出了明确需求,它正持续进步,推动着我们更好地探索浩瀚宇宙。




撰文 | 杭观荣、金广明

责任编辑 | 牛一名、段阳阳

运营编辑 | 段阳阳

质量审核 | 业蕾


❖  文章来源:《知识就是力量》杂志

推动空间站的“耐力小勇士” 霍尔电推进系统》 ❖



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