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抛弃化学燃料,超越美国空间站,中国空间站离子电推到底有多牛?

中国空间站首个舱段:天和号核心舱在在长征五号乙的强大推力下准确进入预定轨道,不过这次的成功只是未来一系列发射的第一步,从现在开始到2022年11月,将执行密集的10次发射,初步建成我国第一个常驻空间站

核心舱,到底装载了哪些东西?

“天和”核心舱总长16.6米,直径4.2米,重约22吨,总空间50立方米,千万别小看了这个舱段,它是整个空间站的核心舱段,未来的电力、数据以及推进与控制系统,都在这个舱段,因此它将是未来空间站的大脑与结构支撑!

同时由于胖五在LTO轨道上的运载能力非常强悍,它的尺寸比国际空间站的任何一个舱段都要大,比如国际空间站的第一个舱段曙光号功能仓,全长12.56米,直径4.11米,重约19.32吨。

核心舱支撑3名宇航员长期在轨驻留,另外它的设计寿命为15年,为了保证长期在轨运行,它还有强悍的机动变轨能力!

天宫空间站整体规模有多大?

2022年将会发射问天实验舱、梦天试验舱,三个舱段将构成一个T字形,每个舱段的规模都是20吨级,正常情况下会有一艘载人飞船随时待命,此时的总吨位至少将超过70吨,再加上扩展的光学舱和扩展舱段,总质量达到设计的100吨!

2023年起天宫空间站将开始正式运行,预计在轨时间15年以上,当然另一个关键信息是天宫空间站上迎来的第一位外籍宇航员会是哪国的呢?

一年只需一次补给,甩国际空间站十条大街

国际空间站的轨道高度大约在417千米~421千米之间,轨道衰减大约每月2千米,这是由于近地空间的稀薄大气阻力,造成空间站轨道高度下降!

因此每年国际空间站消耗的燃料高达4吨,如果要变轨(改变倾角或者遭遇太阳活动高峰年,则更多一些),这些燃料都是货运飞船一点点送上去的!因此在国际空间站的很多舱段内都有燃料箱:

星辰舱段上有32个小型推力器(周围分布,RCS,姿态控制)以及两个主推的S5.79发动机(位于尾部对接口侧面)。曙光舱段是另一个推进舱段,有12个RCS和2个主推力发动机,负责空间站的轨道保持。

在曙光舱段上有16个容积为400升的长罐和330升的短罐(各8个),一共能储存5.76吨燃料,星辰号则是由2个400升的燃料罐,只能存储860千克燃料。

M-52进步号飞船

因此国际空间站的燃料存储能也就一年多轨道维持,所以对货运飞船“进步号”的依赖非常严重,而可怜的是进步号总共也只有2.3吨载荷,有1.3吨是空间站补给的食品与其他货物,只有1吨的燃料装载量,对接时后方的非加压舱里的两种燃料在高压氮气的压力下注入国际空间站。因此每年的国际空间站至少需要4次才能满足国际空间站轨道维持需要。

这张图显示了过去一年内国际空间站的运行高度

天宫空间站,一年补给一次足够!

和国际空间站一样,天宫空间站的高度和国际空间站高度类似,它也需要燃料来维持轨道高度,因为在近地轨道上不可避免地会受到稀薄大气的阻力,但天宫空间站使用的将和国际空间站完全不同的推进机制,它将使用离子电推发动机,燃料消耗将比国际空间站低一个数量级!

离子电推发动机,是个什么概念?

经常在直播中看到的火箭发射就是化学火箭,它的原理很简单,利用燃料燃烧的高温高压将气体排出获得前进的动力,所以它的动力十分强大,发射时惊天动地,很多朋友不远千里跑去就为观看那一刹那的震撼!

但这样的火箭发动机燃料消耗十分惊人,比如土星五号3000多吨燃料,几分钟内就烧完了,这是在大气层内的消耗,到了太空会相对比较低,但由于化学燃料燃烧后尾焰喷出速度只有2-3千米/秒,因此想要获得更高的速度,就必需燃烧更多的燃料和更久的时间,对于空间站需要长期维持的飞行器这是一项沉重的负担。

而电推发动机的原理不复杂,将推进剂电离,然后将其中的电子和离子(原子核)分离,然高质量较高的离子经过磁场加速,高速向后方排出,再将电子通过电子枪注入后方的离子羽流中和,避免发动机积累电荷。

这种排气速度可以提高到20-30千米/秒,因此它的燃料非常“耐烧”,达到同样的加速度,燃料消耗可以降低一个数量级,不过这种发动机有一个致命的缺点,推力太低,不过好在它可以持续提供推力,这种要求对于空间飞行器的变轨和加速并不是特别大的缺点,但好处是可以少携带90%以上的燃料,这是多大的诱惑?

天和核心舱的发动机:LHT-100型霍尔电推

天和核心舱的发动机是LT-100型霍尔电推,常见的离子发动机中有静电式(离子)和电磁式(霍尔),静电式的原理是推进剂电离后,利用栅极提取离子,再利用静电场来加速离子。

霍尔效应推进器

电磁式则是利用磁场控制电子的运动,让电子在推进方向上积累,形成一个电位差,然后再用这个制造的电位差来加速离子,获得推进动力。

静电式的比冲极大,但推力很小,霍尔式比冲相对较低,但推力比较大,前者适合小型飞行器保持轨道,后者适合大型航天器或者载人深空探测时使用!

LHT-100型霍尔电推

LHT-100型霍尔氙离子电推是兰州空间技术物理研究所开发的,推力80mN,2台主推,2台备份,用的“燃料”是氙气,每年的燃料消耗量可以低至百公斤级,国际空间站的1/20以下,因此大大减轻了货运飞船补给的压力!

另外天和核心舱的LHT-100发动机和贮气瓶都可以随时更换,设计寿命10年以上,未来如果需要更换发动机延长天宫空间站的寿命,完全是可行性操作!

延伸阅读:爬虫式机械臂

国际空间站有一个加拿大制造的七自由度机械臂,长达17.6米,质量1.8吨,承载能力11.6吨,它可以辅助航天器停泊国际空间站对接。

机械臂

我国的空间站也有两个机械臂,天和核心舱上长的机械臂有7个自由度,长达10.2米,具备舱体表面爬行能力,同样可以在对接时辅助航天器,但总质量只有国际空间站的机械臂一半都不到,还能和短的另一个机械臂组合,形成一个超过15米的组合机械臂!