空間站電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)首次實(shí)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(jìn)系統(tǒng)大氣瓶完成在軌安裝任務(wù)，航天科技集團(tuán)六院801所首次采用“換氣”而不是“補(bǔ)氣”的方式完成電推進(jìn)推進(jìn)劑——氙氣的補(bǔ)充。加裝了大氣瓶的空間站電推進(jìn)系統(tǒng)，其使用壽命將大大延長(zhǎng)，對(duì)空間站長(zhǎng)期軌道維持和安全平穩(wěn)飛行起到重要作用。

(相關(guān)資料圖)

自帶升級(jí)“外掛”

電推進(jìn)系統(tǒng)，也稱(chēng)電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jìn)力，進(jìn)而完成航天器的姿態(tài)控制、軌道修正和軌道維持等任務(wù)。

在“天宮”空間站上的使用，是電推進(jìn)系統(tǒng)在載人航天領(lǐng)域的首秀——要滿(mǎn)足空間站長(zhǎng)壽命、可靠性的既定目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員必須解決在軌補(bǔ)充電推進(jìn)推進(jìn)劑的問(wèn)題。負(fù)責(zé)抓總空間站電推進(jìn)系統(tǒng)研制任務(wù)的801所設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，首次嘗試運(yùn)用在軌“換氣”的方式進(jìn)行補(bǔ)加。

據(jù)801所介紹，2021年“天和”核心艙發(fā)射的時(shí)候就自帶了兩個(gè)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(jì)劃提供的強(qiáng)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(jìn)劑能支持電推力器更長(zhǎng)時(shí)間的軌道維持工作。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)“百搭”

為了實(shí)現(xiàn)貯氣模塊的在軌安裝，801所電推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)調(diào)研了國(guó)內(nèi)外常用電、氣、機(jī)械對(duì)接鎖定形式，創(chuàng)造性地提出了一種簡(jiǎn)化版的浮動(dòng)對(duì)接形式，通過(guò)粗定位導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂初始定位及大偏差適應(yīng)，再通過(guò)自主精定位進(jìn)一步修正電、氣、機(jī)械的對(duì)中鎖緊，這種步步為營(yíng)的方式極大提高了對(duì)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(mǎn)足要求。

與此同時(shí)，由于氣瓶“外掛”時(shí)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(jìn)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(jìn)劑。

支持反復(fù)拆裝使用、適配多種氣瓶型號(hào)……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(wú)限可能。801所的精巧設(shè)計(jì)，賦予了貯氣模塊“百搭”、百變的特性，不僅極大增加了電推進(jìn)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(cè)試后通過(guò)自動(dòng)出艙裝置送至艙外，隨即由艙外機(jī)械臂抓取并將其轉(zhuǎn)移、對(duì)接到核心艙電推進(jìn)系統(tǒng)大氣瓶安裝位，這是本次空間站電推進(jìn)系統(tǒng)大氣瓶在軌安裝的過(guò)程，也是此后在軌更換氣瓶的基本流程——正常情況下，當(dāng)貯氣模塊組合體推進(jìn)劑耗盡后，都將由機(jī)械臂自動(dòng)進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還提出了“PlanB”——即航天員手動(dòng)更換氣瓶。為了“兼容”自動(dòng)和手動(dòng)這兩種模式，團(tuán)隊(duì)從2017年開(kāi)始便進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作。

研制過(guò)程中，設(shè)計(jì)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(xué)反饋不斷改進(jìn)方案，完善精密的尺寸鏈設(shè)計(jì)；根據(jù)可靠對(duì)接、可靠鎖定、電路絕緣、氣路密封等要求，形成精細(xì)化裝配規(guī)范；產(chǎn)品交付前，也進(jìn)行了充分的地面精測(cè)驗(yàn)證，甚至模擬在軌環(huán)境反復(fù)拆裝氣瓶十次……重重保障環(huán)環(huán)相扣，確認(rèn)不同操作模式下偏差均在可控范圍內(nèi)。

“外掛”性能強(qiáng)悍、拆裝組件“百搭”、操作模式“兼容”，801所用“換氣”代替“補(bǔ)氣”，實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)推進(jìn)劑替換簡(jiǎn)單、高效、可靠的目標(biāo)。而此次大氣瓶成功在軌安裝，除了大大延長(zhǎng)了空間站電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命、保障空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)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(yàn)。

來(lái)源：中國(guó)航天科技集團(tuán)六院微信公號(hào)

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