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“天和”核心舱霍尔推进器中的心脏

2021-06-01  lindan9997

中科院之声 

中国科学院官方账号~1小时前

前不久,长征五号B运载火箭搭载中国空间站“天和”核心舱在海南文昌航天发射场顺利发射升空,任务取得了圆满成功。“天和”核心舱推进系统除了配备4台轨控发动机、22台姿控发动机这些在航天技术中的常规动力以外,还首次配置了四台霍尔电推进发动机。而电推进系统中的霍尔推力器腔体采用了由中国科学院金属研究所研制的氮化硼陶瓷基复合材料。

为什么用电推进?

“天和”号核心舱使用了国内最先进的电推进技术,采用电推进技术,不仅大幅度地提高了燃料使用效率,而且降低了空间站的维护管理成本。空间站在围绕地球运转的过程中,会因为微重力和近地空间的稀薄大气阻力,造成轨道高度下降。以国际空间站为例,轨道衰减大约为每月2千米。为了保持轨道高度,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。而向太空运送一公斤物资的成本在十万元人民币量级,并且频繁的货运任务也将造成高风险。由于太空中的重力和阻力很小,实际上仅仅需要很小的推力就可以做到轨道保持。霍尔电推进系统,以其比冲高、寿命长、控制精度高(推力小)等特性,可以“细水长流”地发挥作用,辅助空间站抵抗轨道衰减,使其维持在原定轨道上正常运转。更重要的是,霍尔电推进系统可有效节省核心舱自带推进剂的消耗,要比常规动力燃料消耗低一个数量级。

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红框里是两个霍尔推力器,背面还有两个(图片来源:中新网)

神奇的“心脏”材料

电推进系统一般分为三个部分:电源处理单元、推进剂工质贮存与供应单元、推力器。霍尔电推进发动机,顾名思义,是以霍尔推力器命名的发动机。霍尔推力器又称霍尔效应推力器(Hall effect thruster),是离子推力器的一种。在推力器中,推进剂被电场加速,霍尔推力器将电子约束在磁场中,并利用电子电离推进剂,加速离子产生推力,并中和羽流中的离子。

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霍尔推力器(图片来自网络)

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氮化硼陶瓷基复合材料腔体(图片来源:金属所和801所)

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HET-80点火照片(图片来源:北航JLPP和801所)

在霍尔推力器中,等离子体的电离、加速均在由氮化硼陶瓷基复合材料做成的放电腔中完成,因此放电腔可以比喻成霍尔推力器的“心脏”。推力器工作时,腔体快速升温,这就要求腔体材料必须满足耐高温、抗热震、耐离子溅射、绝缘性能好等要求,腔体材料的性能是影响推力器寿命的决定性因素。中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心可加工陶瓷研究团队,研制出具备低密度、高强度、抗热震、耐溅射、易加工、绝缘性能好等优点的氮化硼陶瓷基复合材料,满足了推力器对陶瓷腔体材料的高要求。此外,霍尔推力器中还有多种部件也采用了该陶瓷材料作为高电压与低电压之间的绝缘介质。

“心脏”材料的诞生

六方氮化硼(h-BN)具有类似于石墨的层状结构,层内B原子和N原子以强的共价键结合,而原子层间则以弱的范德华力结合。这种独特的晶体结构和杂键特性赋予了h-BN独特的性能,如低密度、高热导、电绝缘、优良的介电性能、抗热震和良好的可加工性能等,这些特性都是作为霍尔推力器腔体所需要的。然而,这种独特的层状结构也导致h-BN烧结困难、致密度低和强度低等缺点,在推力器的地面试验中往往出现由于强度低而导致的腔体断裂、致密度低造成的吸潮和腔体放电状态不稳定、以及抗离子溅射能力差等问题。

金属所在上世纪八十年代的“七五”期间即通过水平连铸分离环的研制积累了热压六方氮化硼的经验。2008年,为满足霍尔推力器腔体材料的需求,在国家自然科学基金和国家专项的支持下,研究人员深入研究了六方氮化硼陶瓷的强化方法和强化机理。2012年,由金属所研制的氮化硼陶瓷基复合材料作为霍尔推力器腔体,成功应用在卫星上,圆满完成我国首次电推进在轨飞行演示验证任务,使我国继俄、美、欧之后第四个独立掌握了霍尔电推进技术。至今,已取得相关国家发明专利授权6项。多年未出现质量问题,得到用户认可和高度评价。

此次为进一步满足空间站“天和”核心舱对电推进系统的需求,研究人员在大尺寸材料制备、材料均质化和质量稳定性控制等方面开展了大量工作。为了保证 “天和”核心舱15年的在轨寿命,推力器腔体完成了 8240小时全寿命地面试验任务,在寿命内腔体的各项性能指标均能达到要求,确保了霍尔推力器在轨寿命符合预期。

来源:中国科学院金属研究所

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