配置4臺霍爾電推進發動機 “天宮”掀起太空動力變革(筑夢“太空之家”——中國空間站建設記④)

沖天而起、精準入軌、交會對接形成組合體、航天員進入核心艙進行太空作業和空間實驗，神舟十二號飛行任務實施可謂行云流水、一氣呵成，讓密切關注的國人蕩氣回腸，自豪之情油然而生。神舟十二號搭載3名宇航員首次進入空間站核心艙，時隔4年多，中國宇航員又一次挺進蒼穹并拉開長期駐留太空的序幕。

隨著后續航天任務密集實施，中國“天宮”呼之欲出。作為新時代的航天“寵兒”，“天宮”集現代科技之大成，應用了一批當今先進的科技成果，而電推進無疑是其中最值得稱道的科技之一。“天宮”核心艙配置了4臺霍爾電推進發動機，這是人類載人航天器上首次使用電推進。中國“天宮”悄然間掀起了一場太空動力變革。

比傳統動力更具優勢

化學動力是太空飛行的傳統動力，通過燃燒化學推進劑，向后拋射物質，獲得動力。實際上，運載火箭在起飛上升段采用的也是這種傳統化學動力方式，為了克服地球引力，將航天器托舉入軌，火箭必須加載大量的化學推進劑，通過短時間內劇烈燃燒，釋放大量能量，使飛行達到發射所需要的速度，把航天器送入預定軌道。進入太空后，航天器進行維持軌道、變軌或者調整姿態等，繼續需要動力，傳統上動力來源于自身攜帶的化學燃料或者在軌補加的燃料。

運載火箭通常個頭高大，矗立在發射臺上顯得巍峨挺拔，長征五號這樣的重型火箭更是如此。作為目前中國航天最強的“大力士”，長征五號近地軌道運載能力達25噸、地球同步軌道運載能力為14噸，然而它的中芯級直徑達5米，總長度近57米，起飛重量在859-879噸之間，可謂龐然大物，而化學燃料占據箭體空間和重量很大比例。在軌飛行航天器通常依賴攜帶的化學燃料維持運轉，攜帶化學燃料量在很大程度上決定了航天器的壽命。除了化學燃料，人類一直在積極尋找替代性空間動力來源，以使航天發射和航天器在軌運行更高效、更經濟。通過不懈努力探索和不斷改進，空間電推進技術被開發出來并不斷演進，向著工程化、實戰化方向加速發展。

據上海空間推進研究所副總師康小錄介紹，比沖高是電推進的一大優勢。作為單位推進劑所產生的沖量，比沖是評價火箭推進劑性能的技術參數，比沖越高，相同條件下推進劑能夠產生的速度增量越大。電推進系統具有的比沖較化學劑推進大大提高，以電推進取代化學動力意味著大幅減少航天器攜帶的燃料量，可省去復雜的儲罐、管道、發動機燃燒室、噴管、相應冷卻機構等。同時，電推力雖小但推力精確、可調，能給航天器帶來質量、壽命、經濟等增益，提升任務執行能力，擴展空間任務范圍等。

保障“天宮”平穩運行

據上海空間推進研究所研究員杭觀榮介紹，中國空間電推技術研究起步于上世紀60年代，經歷理論探索、工程研制、飛行試驗和工程應用等階段。幾十年來，中國科學家積極投身空間電推進科研事業，大步追趕國際先進水平，取得重大突破并將其率先應用于載人航天領域，即將成就特色鮮明的中國天宮空間站。

杭觀榮認為，中國空間電推研究取得了多項標志性成就。具體來說，上世紀80年代，中國航天科技集團五院510所研制的LIPS-80離子推力器獲得1987年國家科技進步獎一等獎。“十五”期間，航天科技集團六院801所完成了霍爾電推進系統的工程化樣機并于2012-2013年間成功進行了中國首次空間在軌電推進飛行試驗，相關技術指標與國際同類產品具有同等水平。

2020年1月，中國航天科技集團發布消息稱，我國首款20千瓦大功率霍爾電推進器成功完成點火試驗，標志著中國霍爾電推進器推力從毫牛級實現向牛級跨越，性能達到國際先進水平。今年4月29日，隨著空間站天和核心艙發射入軌，中國空間電推應用實現新突破。據了解，核心艙配備了4臺霍爾電推進器，它們可以從核心艙寬大的太陽能翼獲得充足的電能，根據需要，適時啟動并可長期運行，將對空間站軌道維持和安全平穩飛行起到重要作用，可大大降低天宮空間站的燃料消耗。

多國競相探索應用

空間電推進從提出至今已有100多年了。20世紀初，現代宇宙航行學奠基者、俄國人康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基在一篇論文中提出空間電推進概念，他在隨后的論文中進一步指出，通過電可以產生強有力的氦離子流，用于驅動宇宙飛船。在其后不久，液體火箭發明者、美國人羅伯特·戈達德制造出可產生“帶電粒子”設備并獲得了“產生帶電氣體射流的方式方法”發明專利。隨后，世界多國科學家展開了長期研究，旨在研發高效的空間電推進系統并付諸應用。

康小錄表示，上世紀80、90年代，空間電推方式在美蘇得到一定應用。一些衛星平臺以電推進來執行位置保持任務。比如，1982年，蘇聯一款電推進系統成功應用于一顆衛星位置保持。新世紀，空間電推進應用繼續拓展，2001年，歐洲發射的“阿特米斯”衛星最終依靠電推進入預定軌道。2003年，歐洲依靠電推進實施了月球探測任務。同年，日本發射“隼鳥號”小行星探測器，在最后階段，使用電推完成任務并返回。

值得注意的是，長期以來，空間電推進系統產生的推力很有限，停留在毫牛級，被戲稱僅能“推動一張紙”。比如，日本“隼鳥號”小行星探測器使用的電推進器的推力不到30毫牛，美國波音公司702衛星平臺上使用的電推進器推力為165毫牛。空間電推進系統主要用于航天器的姿態控制、軌道修正和軌道維持等對推力要求不高的任務。

張保淑