拋棄化學燃料,超越美國空間站,中國空間站離子電推到…


拋棄化學燃料,超越美國空間站,中國空間站離子電推到底有多牛?的頭圖

拋棄化學燃料,超越美國空間站,中國空間站離子電推到底有多牛?

中國空間站首個艙段:天和號核心艙在在長征五號乙的強大推力下準確進入預定軌道,不過這次的成功只是未來一系列發射的第一步,從現在開始到2022年11月,將執行密集的10次發射,初步建成我國第一個常駐空間站!

核心艙,到底裝載了哪些東西?

“天和”核心艙總長16.6米,直徑4.2米,重約22噸,總空間50立方米,千萬別小看了這個艙段,它是整個空間站的核心艙段,未來的電力、數據以及推進與控制系統,都在這個艙段,因此它將是未來空間站的大腦與結構支撐!

同時由於胖五在LTO軌道上的運載能力非常強悍,它的尺寸比國際空間站的任何一個艙段都要大,比如國際空間站的第一個艙段曙光號功能倉,全長12.56米,直徑4.11米,重約19.32噸。

核心艙支撐3名宇航員長期在軌駐留,另外它的設計壽命為15年,為了保證長期在軌運行,它還有強悍的機動變軌能力!

天宮空間站整體規模有多大?

2022年將會發射問天實驗艙、夢天試驗艙,三個艙段將構成一個T字形,每個艙段的規模都是20噸級,正常情況下會有一艘載人飛船隨時待命,此時的總噸位至少將超過70噸,再加上擴展的光學艙和擴展艙段,總質量達到設計的100噸!

2023年起天宮空間站將開始正式運行,預計在軌時間15年以上,當然另一個關鍵信息是天宮空間站上迎來的第一位外籍宇航員會是哪國的呢?

一年只需一次補給,甩國際空間站十條大街

國際空間站的軌道高度大約在417千米~421千米之間,軌道衰減大約每月2千米,這是由於近地空間的稀薄大氣阻力,造成空間站軌道高度下降!

因此每年國際空間站消耗的燃料高達4噸,如果要變軌(改變傾角或者遭遇太陽活動高峰年,則更多一些),這些燃料都是貨運飛船一點點送上去的!因此在國際空間站的很多艙段內都有燃料箱:

星辰艙段上有32個小型推力器(周圍分佈,RCS,姿態控制)以及兩個主推的S5.79發動機(位於尾部對接口側面)。曙光艙段是另一個推進艙段,有12個RCS和2個主推力發動機,負責空間站的軌道保持。

在曙光艙段上有16個容積為400升的長罐和330升的短罐(各8個),一共能儲存5.76噸燃料,星辰號則是由2個400升的燃料罐,只能存儲860千克燃料。

M-52進步號飛船

因此國際空間站的燃料存儲能也就一年多軌道維持,所以對貨運飛船“進步號”的依賴非常嚴重,而可憐的是進步號總共也只有2.3噸載荷,有1.3噸是空間站補給的食品與其他貨物,只有1噸的燃料裝載量,對接時後方的非加壓艙裡的兩種燃料在高壓氮氣的壓力下注入國際空間站。因此每年的國際空間站至少需要4次才能滿足國際空間站軌道維持需要。

這張圖顯示了過去一年內國際空間站的運行高度

天宮空間站,一年補給一次足夠!

和國際空間站一樣,天宮空間站的高度和國際空間站高度類似,它也需要燃料來維持軌道高度,因為在近地軌道上不可避免地會受到稀薄大氣的阻力,但天宮空間站使用的將和國際空間站完全不同的推進機制,它將使用離子電推發動機,燃料消耗將比國際空間站低一個數量級!

離子電推發動機,是個什麼概念?

經常在直播中看到的火箭發射就是化學火箭,它的原理很簡單,利用燃料燃燒的高溫高壓將氣體排出獲得前進的動力,所以它的動力十分強大,發射時驚天動地,很多朋友不遠千里跑去就為觀看那一剎那的震撼!

但這樣的火箭發動機燃料消耗十分驚人,比如土星五號3000多噸燃料,幾分鐘內就燒完了,這是在大氣層內的消耗,到了太空會相對比較低,但由於化學燃料燃燒後尾焰噴出速度只有2-3千米/秒,因此想要獲得更高的速度,就必需燃燒更多的燃料和更久的時間,對於空間站需要長期維持的飛行器這是一項沉重的負擔。

而電推發動機的原理不復雜,將推進劑電離,然後將其中的電子和離子(原子核)分離,然高質量較高的離子經過磁場加速,高速向後方排出,再將電子通過電子槍注入後方的離子羽流中和,避免發動機積累電荷。

這種排氣速度可以提高到20-30千米/秒,因此它的燃料非常“耐燒”,達到同樣的加速度,燃料消耗可以降低一個數量級,不過這種發動機有一個致命的缺點,推力太低,不過好在它可以持續提供推力,這種要求對於空間飛行器的變軌和加速並不是特別大的缺點,但好處是可以少攜帶90%以上的燃料,這是多大的誘惑?

天和核心艙的發動機:LHT-100型霍爾電推

天和核心艙的發動機是LT-100型霍爾電推,常見的離子發動機中有靜電式(離子)和電磁式(霍爾),靜電式的原理是推進劑電離後,利用柵極提取離子,再利用靜電場來加速離子。

霍爾效應推進器

電磁式則是利用磁場控制電子的運動,讓電子在推進方向上積累,形成一個電位差,然後再用這個製造的電位差來加速離子,獲得推進動力。

靜電式的比衝極大,但推力很小,霍爾式比衝相對較低,但推力比較大,前者適合小型飛行器保持軌道,後者適合大型航天器或者載人深空探測時使用!

LHT-100型霍爾電推

LHT-100型霍爾氙離子電推是蘭州空間技術物理研究所開發的,推力80mN,2台主推,2台備份,用的“燃料”是氙氣,每年的燃料消耗量可以低至百公斤級,國際空間站的1/20以下,因此大大減輕了貨運飛船補給的壓力!

另外天和核心艙的LHT-100發動機和貯氣瓶都可以隨時更換,設計壽命10年以上,未來如果需要更換發動機延長天宮空間站的壽命,完全是可行性操作!

延伸閱讀:爬蟲式機械臂

國際空間站有一個加拿大製造的七自由度機械臂,長達17.6米,質量1.8噸,承載能力11.6噸,它可以輔助航天器停泊國際空間站對接。

機械臂

我國的空間站也有兩個機械臂,天和核心艙上長的機械臂有7個自由度,長達10.2米,具備艙體表面爬行能力,同樣可以在對接時輔助航天器,但總質量只有國際空間站的機械臂一半都不到,還能和短的另一個機械臂組合,形成一個超過15米的組合機械臂!