空間站電推進發(fā)動機首次實現(xiàn)在軌“換氣”

近日，在天地協(xié)同配合下，“天宮”空間站電推進系統(tǒng)大氣瓶完成在軌安裝任務，航天科技集團六院801所首次采用“換氣”而不是“補氣”的方式完成電推進推進劑——氙氣的補充。加裝了大氣瓶的空間站電推進系統(tǒng)，其使用壽命將大大延長，對空間站長期軌道維持和安全平穩(wěn)飛行起到重要作用。

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自帶升級“外掛”

電推進系統(tǒng)，也稱電推進發(fā)動機，其工作原理是先將氙氣等惰性氣體轉(zhuǎn)化為帶電離子，然后把這些離子加速并噴出以產(chǎn)生推進力，進而完成航天器的姿態(tài)控制、軌道修正和軌道維持等任務。

在“天宮”空間站上的使用，是電推進系統(tǒng)在載人航天領(lǐng)域的首秀——要滿足空間站長壽命、可靠性的既定目標，設計人員必須解決在軌補充電推進推進劑的問題。負責抓總空間站電推進系統(tǒng)研制任務的801所設計團隊，首次嘗試運用在軌“換氣”的方式進行補加。

據(jù)801所介紹，2021年“天和”核心艙發(fā)射的時候就自帶了兩個小氣瓶，但限于艙內(nèi)空間，“原裝”氣瓶的體積并不大，僅供短期使用。此次上天的大氣瓶正是他們按計劃提供的強有力“外掛”，由于安裝在艙外空間限制小，容量翻了好幾番，攜帶的推進劑能支持電推力器更長時間的軌道維持工作。

設計實現(xiàn)“百搭”

為了實現(xiàn)貯氣模塊的在軌安裝，801所電推進系統(tǒng)設計團隊調(diào)研了國內(nèi)外常用電、氣、機械對接鎖定形式，創(chuàng)造性地提出了一種簡化版的浮動對接形式，通過粗定位導向裝置實現(xiàn)機械臂初始定位及大偏差適應，再通過自主精定位進一步修正電、氣、機械的對中鎖緊，這種步步為營的方式極大提高了對接的容差能力和可靠性，即便在軌多次拆裝也能保證精度滿足要求。

與此同時，由于氣瓶“外掛”時都是安裝于統(tǒng)一的接口，原則上只要符合接口要求，空間站電推進系統(tǒng)可以安裝不同容積、不同工作壓力的氣瓶，且氣瓶填充的工質(zhì)不限于已有系統(tǒng)的氙氣工質(zhì)，可根據(jù)技術(shù)發(fā)展情況上行不同工質(zhì)推進劑。

支持反復拆裝使用、適配多種氣瓶型號……就像搭積木一樣，不管怎么拆裝，只要保證接口一致，裝好裝牢合適的組件，便擁有了無限可能。801所的精巧設計，賦予了貯氣模塊“百搭”、百變的特性，不僅極大增加了電推進系統(tǒng)的壽命和可靠性，也豐富了系統(tǒng)的功能。

操作可以“兼容”

航天員在艙內(nèi)組裝好大氣瓶，完成自檢及測試后通過自動出艙裝置送至艙外，隨即由艙外機械臂抓取并將其轉(zhuǎn)移、對接到核心艙電推進系統(tǒng)大氣瓶安裝位，這是本次空間站電推進系統(tǒng)大氣瓶在軌安裝的過程，也是此后在軌更換氣瓶的基本流程——正常情況下，當貯氣模塊組合體推進劑耗盡后，都將由機械臂自動進行在軌更換。

但由于太空環(huán)境不可控因素較多，為了保證貯氣模塊的順利更換，801所電推進系統(tǒng)設計團隊還提出了“PlanB”——即航天員手動更換氣瓶。為了“兼容”自動和手動這兩種模式，團隊從2017年開始便進行了大量設計及驗證工作。

研制過程中，設計人員充分考慮了航天員在軌操作的局限性、安全性和可操作性，并按照航天員工效學反饋不斷改進方案，完善精密的尺寸鏈設計；根據(jù)可靠對接、可靠鎖定、電路絕緣、氣路密封等要求，形成精細化裝配規(guī)范；產(chǎn)品交付前，也進行了充分的地面精測驗證，甚至模擬在軌環(huán)境反復拆裝氣瓶十次……重重保障環(huán)環(huán)相扣，確認不同操作模式下偏差均在可控范圍內(nèi)。

“外掛”性能強悍、拆裝組件“百搭”、操作模式“兼容”，801所用“換氣”代替“補氣”，實現(xiàn)了電推進推進劑替換簡單、高效、可靠的目標。而此次大氣瓶成功在軌安裝，除了大大延長了空間站電推進系統(tǒng)的壽命、保障空間站長期在軌運行外，也為后續(xù)大氣瓶的拆卸安裝以及霍爾推力器的在軌更換提供了寶貴經(jīng)驗。

來源：中國航天科技集團六院微信公號

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