随着中国航天事业的发展,比之前更长时间更远距离的航天任务正在不断出现。这意味着,作为航天器动力装置的空间推进器,也必须做出适应性的改变。其中最为显著的,就是传统的化学推进器将部分甚至全部被电推进器所取代。
 
  传统化学推进器的困境在于,液态低温推进剂散逸速度过快,无法满足在轨时间数以年计的卫星长期储存要求,而使用常温推进剂的推进器的比冲(单位重量推进剂产生的冲量)几乎已经到达了极限。在这种情况下,电推进以其可长期使用和比冲高的优势成了空间推进的新主力。
 
  电推进有多种类别,其中最主流的两条路线是霍尔推进器与离子推进器。位于上海的上海空间推进研究所,是我国目前最主要的霍尔推进器工程研制单位。在中国航天大踏步迈入电推进之际,他们的工作正越来越受到各界的关注。
 

燃料成为化学推进器不堪承受之重,电推进替代势在必行。

  航天领域的化学推进器为人们所熟悉,在电视画面中经常看到的,火箭升起后熊熊燃烧的火焰,大多就是由化学推进器所发出的。化学推进,顾名思义,是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨运行的技术,主要是指液体和固体化学推进。
 
  由于动力来自燃料化学反应,化学推进器必须自身携带大量燃料。这也使得使用化学推进器的航天器不得不负重而行。目前液体和固体火箭发动机所携带的燃料,已占到总重量的60%以上,而有效载荷――直接执行具体航天任务的仪器、设备或分系统――占比不到10%。这本身是极大的浪费。而且在航天过程中,不像汽车旅途中油量不足时可以在沿途加油站加油,卫星上天、探测器离开地球后,就没有加油的地方了。旅行距离一旦达到一定限度,从地球上携带够量的燃料就将是不可能之事。就好比汽车出发时携带能运行一百公里的油量是可以的,但携带能运行一万、十万甚至更远距离的油量就不可思议了。
 
  而电推进则不一样,借助太阳能或者其他形式的电能,其发动机可以将随星携带的介质,在电磁作用下,以极高的速度喷出。由于喷出的速度极大,只需喷出少量的介质就可以达到化学推进器喷出数倍燃烧物质的同等冲量。与使用化学推进器相比,使用电推进的航天器出行时要轻便的多。
 

 

  各类型电推进的共同特点是以极高速度向后喷出物质,反作用航天器前进。按照喷出物质的原理的不同,电推进一般可分为电热式、静电式和电磁式三大类,每一类又包含数种不同的类别。其中,电热式推进是指利用电热方式提高推进剂能量并通过喷嘴加速产生推力;静电式推进是指利用静电场加速推进剂的方式产生推力;电磁式则是利用电磁场加速推进剂的方式产生推力。
 
  在这三种类型当中,静电式推进凭借其独特的优势,是目前应用最为广泛的电推进类型。静电式电推进又主要分为两种,一种是霍尔电推进,一种是离子电推进,其中前者在国际上应用更为广泛。
 

40年前钱学森曾批示发展电推进,此后30年跟踪国外走走停停。

  电推进概念在航天领域很早就已出现。1906年,美国物理学家罗伯特?戈达德(Robert H Goddard)在自己的笔记本中提到了电推进设想;20世纪50年代,美国、前苏联等国开启大规模的理论和试验研究;1964年前苏联在卫星上进行了首次脉冲等离子体推力器飞行试验;同一年,美国在卫星上进行了铯接触式离子推力器飞行试验。德国、英国、日本也相继开展了电推进技术的研究。
 
  中国航天界对电推进的知晓其实并不算晚。早在1970年左右,钱学森曾经在一份文件中,用铅笔批示我们国家也要发展电推进。上世纪70、80年代实际上也是我国电推进发展的第一波高峰。由于当时国际上还没有形成成熟的技术路线,国内的研究也没有特别集中于某个方向。
 
  我国最早研究的电推进器是中国科学院空间科学技术中心研制的脉冲等离子体推力器(电磁式推进的一种),并于上世纪七八十年代进行了空间试验。
 
  特别值得一提的是,上世纪70年代初,中国航天科技集团五院下属的510所与国外宇航界几乎同期启动了离子电推进(静电式推进的一种)研究,并成功研制了直径80毫米的汞离子电推进系统,该成果还曾于1987年获得国家科技进步一等奖。
 

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苏联在1971年发射的METEOR卫星上首次进行了霍尔电推进飞行试验

 

  但是上世纪80年代中期到90年代中期的大约十年里,国内的研究反而停下来了。其中的原因颇为复杂,首先是当时国家没有相应计划,所以支持研制的经费缺乏。再者,中国在电推进方面的研究一直是跟踪型的,60、70年代时国际上不断有电推进的文章发表,于是我国相关单位也保持了跟踪,但到了80、90年代,有关电推进的学术文章突然少了,于是我们也就停下来了。“其实,”有着近二十年电推进研究经历的康小录研究员说道,“当时人家开始做空间实验了,所以理论探讨性质的学术文章自然就少了。”
 
  当然可能还有其他一些原因。但各种阴差阳错,使得对电推进研制起步并不晚的中国,并没有赶上最早的班车。直到进入二十一世纪,国际卫星大规模使用电推进已成现实,国内才意识到必须尽快跟进。
 

苏联霍尔电推进在冷战时期完成了从实验室试验到上天使用的全过程,冷战结束后,原本将注意力更多放在离子电推进的美国研究团队抵达莫斯科,进行技术引进谈判。

  作为以空间推进为核心业务的航天研究机构,康小录研究员所供职的上海空间推进研究所显然要比国内其他单位更关注空间推进领域的革命性变化。
 
  早在1990年代初期,上海空间推进研究所就开始谋划电推进的预先研究。前期工作,和很多航天领域的研究一样,首先是了解、学习和吸收国外已有的技术成果。
 
  航天技术始终是与军事密切相关的。在1990年之前的几十年中,美国和苏联两个超级大国在航天领域展开了众所周知的争霸赛。在空间推进器方面同样如此。正如前面已经提到的,获得应用最广泛的电推进主要分两种,一种是霍尔电推进,一种是离子电推进。事实上在冷战期间,美国和苏联都各自独立地针对这两条路线进行过发展。不过后期,以美国为首的西方国家将精力更多投入在研制离子电推进上,而前苏联则主要研制霍尔电推进。
 
  在从20世纪50年代开始的研究过程中,前苏联取得最成功、应用最多的是稳态等离子体推力器(Stationary Plasma Thruster),霍尔推力器的一种类型,简称SPT。这种类型的推进器由库哈托夫原子能研究所莫洛佐夫(A.I.Morozov)教授带领的研究小组首先研制成功,后来经过火炬设计局(OKB Fakel,俄罗斯著名的航天研究单位)、莫斯科航空学院等许多单位长期广泛深入的研究,先后发展出了多种规格的推力器,如SPT-50,70,100,140等。据有关资料显示,1972年,前苏联研制的霍尔推进器在其Meteor卫星上进行了首次试飞实验,1976年,霍尔推进器首次应用于地球同步轨道卫星的星系位置保持和重新定位。可以说,冷战结束之前,霍尔电推进在前苏联已经实现了从研究到应用的全部过程。
 
  冷战结束后,将注意力一直放在离子推进器但进展缓慢的西方国家发现前苏联研制的霍尔电推进更加简单和实用。而刚刚经历变革的俄罗斯又处于经济窘迫的状况。双方你情我愿,SPT这种源于前苏联的霍尔电推进,通过各种渠道就走向了国际市场。
 
  1992年,美国劳拉空间系统、法国欧洲推进、大西洋研究等公司与火炬设计局联合成立了国际空间技术公司,在欧洲和美国经销SPT。自此之后,这种源于俄罗斯的技术开始全球大规模扩散。上世纪90年代,从俄罗斯引进霍尔电推进,俨然已成为国际航天界的一种潮流。
 

对接莫斯科,使得上海空间推进研究所起步虽晚但一开始就选定了最主流的霍尔电推进路线。

  与西方国家拿着钞票阔气地购买技术不同,当时中国的经济实力以及航天投入都明显不足。好在当年的社会主义兄弟关系留下了遗产。上海空间推进研究所(当时名称是上海航天动力机械研究所)的第一任所长,曾留学莫斯科航空学院。毕业回国后与母校也一直保持着密切的联系。他的一位同学后来成为了莫斯科航空学院某系的系主任。由于这层关系,两家单位之间一直保持着技术交流和项目合作。
 

1992年,美国劳拉空间系统公司商务代表团抵达莫斯科,开展霍尔电推进商务谈判。图为商务谈判和签约完成后的庆祝宴会

 

  事实上早在1990年代初期,上海空间推进研究所就计划进行电推进的研究。并组建了一支队伍。但由于当时国家还没有提出需求,这支队伍只能在没有经费支持的条件下进行试探性的研究。
 
  在一次项目合作中,莫斯科航空学院方面提出,他们开展的霍尔电推进研制在国际上越来越有影响,中国方面是否有兴趣进行技术交流。虽然其时国家对电推进还没有很大决心和要求,但基于对技术趋势的敏感以及本身已有的研究基础,上海空间推进研究所还是果断与俄方签订了一份霍尔推进器技术交流的合同。这样的俄罗斯渊源,使得上海空间推进研究所在研究方向选择上,与国内其他院所跟随美国路线研制离子推进器不同,一开始就选定了霍尔推进器。
 
  1999年,随着俄罗斯方面合同任务的完成,上海空间推进研究所派出了两位研究人员到莫斯科进行学习交流。这次莫斯科之行也颇为周折,在今天看来,去一次莫斯科或许只是一次简单的旅行。但是在15年前,这样的旅行并不容易。
 
  在当时,刚刚经历了一系列社会变动的俄罗斯,治安并不好。上海空间推进研究所派出两名女性研究人员到莫斯科进行对接工作,除了考虑到她们是为数不多的有电推进专业背景的研究人员,也考虑两位女士看起来不太显眼,也许不会引起不必要的注意。
 
  由于俄语能力有限,在技术交流的一个星期里,两人必须请专业翻译进行帮助。为了节省费用,她们请到了当时莫斯科航空学院的一位中国留学生――报酬是没有的。最后大家一起吃了顿麦当劳以示庆祝。据介绍,当时帮忙翻译的这位学生,后来在莫斯科航空学院取得副博士学位(相当于国内的博士学位),现如今已经是我国航天某院的主任设计师了。那一顿“大餐”庆功宴,现如今也成为了大家口口相传的一段佳话。
 

美国发射的“太空技术实验”卫星第一次应用霍尔电推进,图为“太空技术实验卫星”。来源:http://www.nro.gov/news/press/1998/1998-09.pdf

 

  在莫斯科航空学院进行了七天的交流后,两名研究人员带着一台教学样机和相关的技术资料,打包回国。之前上海空间推进研究所对霍尔电推进已经有了自己的研究成果并做出了初步的模型,与俄罗斯的这次技术交流,为他们后续的研究工作无疑奠定了更厚实的基础。
 
  正是与俄罗斯的技术交流以及自发的积极探索,使得上海空间推进研究所从一开始,就同美欧航天发达国家的空间推进器研制单位一样,成为了最先进电推进路线霍尔电推进第二集团军的一员。
 

写在最后

  2012年,上海空间推进研究所研制的霍尔电推进进行了上天飞行试验,各项指标与俄罗斯、美国相比并不落下风,这一成绩标志着我国自主研发的霍尔电推进正式走向应用,作为后来者,已经有能力与先行者齐头并进。如此成绩的取得,是上海空间推进研究所在路线选定的基础上,从上世纪90年代末到2012年之间的十几年里,一路坚持、急起直追的结果。当然当初的筚路蓝缕,作为整个工作的起点,在此时更值得重温和记忆。
 

 
  用比前人少的时间,做出同样水准的产品,是后发者最为理想的结果。美国和苏联从上世纪50、60年代起不断的试错、改进,对于后来者如上海空间推进研究所,自然不必再重走一遍。并非每个后来者都能幸运地一开始就选对路线,上海空间推进研究所做到了。即便选对了技术路线,也未必一定能坚持下来,上海空间推进研究所也做到了。他们的霍尔电推进研制,为后发者至上,做了一次极佳的诠释。