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          星空萬象

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          衛星發動機長啥樣?
          發布時間:2020-10-09     作者:   來源:科普中國   分享到:

          發動機就像人的心臟一樣,心臟維持人的一切生命活動,而發動機則推動機器的運轉。今天,讓我們來看看衛星上的發動機是什么樣的!

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          高壓冷氣——小動力,大作用

          早期的衛星,由于推進技術還不成熟,多使用高壓冷氣推進,而這里的冷氣主要是氮氣。不僅是衛星,其他航天器比如蘇聯的“東方一號”載人飛船、美國的“空間實驗室”也用到了冷氣推進。

          冷氣推進的優點是安全可靠,無污染,缺點是推進動力小,性能低下。但高壓冷氣推進雖然性能不高,用來調整衛星在太空中的各種姿態是綽綽有余的。因此,我國有一小部分衛星依然還在使用高壓氮氣。

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          單組元推進系統——神奇的“肼”

          第二次世界大戰時,肼是德國V2導彈的其中一種燃料。在催化劑銥的作用下,肼會瞬間分解成氮氣和氫氣,并在幾毫秒內達到800℃高溫。

          后來,肼則是廣泛地用在了衛星動力上。

          如果發動機只使用一種推進劑,就叫單組元推進劑。而像“液氧和液氫”“液氧和煤油”這些組合就叫雙組元推進劑。相應地,只使用一種推進劑比如肼的推進系統,就叫單組元推進系統。

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          在性能上,單組元推進系統比高壓氮氣推進更為優越,但跟其他動力系統相比,比沖還是較低,主要用在中小型衛星上。2002年10月我國發射的“資源2號衛星”就采用了單組元肼發動機。

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          此外,探測過冥王星,且是有史以來以最快發射速度離開地球的探測器“新視野號”,其電力由9.75公斤的钚-238氧化物粒料提供,而它的姿態調整以及軌道修正則由安全可靠的單組元肼發動機控制——新視野號攜帶了77公斤肼,作為對比,整個新視野號僅有470公斤左右。

          雙組元推進系統——雙劍合璧

          與單組元推進系統相比,雙組元推進系統使用兩種推進劑。

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          目前,廣泛應用于北斗導航衛星、嫦娥一號和嫦娥二號等衛星上的490N發動機,便是屬于雙組元推進系統。該發動機的推進劑為四氧化二氮和甲基肼,其真空推力為490N,主要用來進行軌道調整,比如爬高。

          上面列舉的這些衛星上所用的,均是該款發動機的第一代。

          2012年6月,第二代490N發動機產品成功應用在中星2A衛星上。2013年5月發射的中星11號衛星也使用了490N發動機。

          2016年初,我國第三代490N發動機通過試車考核,試車壽命超過25000秒,第三代采用錸銥推力室,比沖達到325秒,比國際同行產品高出2秒。錸銥推力室負責人徐方濤說:“由于衛星攜帶的推進劑有限,要想提高衛星的壽命,就必須提高衛星發動機的性能。據統計,發動機的比沖每提高1秒,可節約數千克燃料,帶來近億美元的經濟效益。”

          前段時間的“中星9A”衛星,使用的正是490N發動機。

          電推進系統——輕裝上陣

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          最后,就是最新的電推進系統,它主要采用離子推力器,但是,實際上在非全電推進的系統中,還可能用到“肼增強推力器”和“電弧推力器”。

          最核心的離子推進器,其原理是先將氣體電離,后用電場力將帶電的離子加速后噴出,繼而產生推力。

          而肼增強推力器就是單組元肼發動機中分解出高溫氮氣、氫氣等氣體后,這些氣體再次通過電阻加熱器加熱,進一步提高燃氣的溫度。電弧推力器則是通過電弧加熱氣體,氣體受熱膨脹高速噴出從而產生推力。

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          如果是全電推進系統,則衛星不再擁有化學發動機和化學燃料,衛星重量可降低40%以上,其帶來的好處不言而喻。比如,就發射成本而言,如果以前一枚火箭只能發射一枚衛星,那么,在采取全電推進后,衛星重量得以大幅下降,就能同時發射兩顆衛星了,發射成本瞬間降一半!

          在軌高度3.6萬公里的靜止軌道上的那些衛星,因為它們需要維持在軌15年左右的時間,并消耗大量燃料、通過自身動力從轉移軌道提升到靜止軌道,所以,這些衛星有超過一半的重量都是由推進劑帶來的。

          而離子推力器不需要攜帶推進劑,因此,可以大幅降低衛星重量,并延長在軌時間。當然,它同時也要付出代價。例如,若使用化學發動機,那么衛星從發射到定點就位只要一周或兩周時間,但使用全電推進的話,此過程將耗費4到9個月,可謂“龜速”。不過,對于在軌十幾年的通信衛星來說,犧牲五六個月的時間是可以接受的。

          不少其他國家也能造衛星,且具有發射能力。然而,相同軌道高度和重量的衛星,在軌18年和在軌6年,是有差距的,而這種差距,很大的原因是由衛星上的推進系統決定的。從冷氣推進到電推進系統,我國衛星上的發動機不斷改造升級,這見證了我們在衛星制造和發射上所取得的一系列卓越成就!

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