助力“嫦娥”奔月
——空間推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

文/林倩 汪旭東 薛英民

▲“嫦娥四號”奔月過程示意圖

嫦娥四號探測器在2018年12月8日凌晨被送上太空后，并不是直接飛到了月球上，而是經(jīng)過中途修正、近月制動、繞月飛行、環(huán)月降軌等幾個(gè)過程，到2019年1月3日上午才著陸月背。這中間隔了二十多天，“嫦娥四號”是如何靈活地完成各項(xiàng)指令的呢？這就要感謝它身上安裝的發(fā)動機(jī)們——空間推進(jìn)系統(tǒng)了。

重要作用

空間推進(jìn)系統(tǒng)是指在大氣層外空間環(huán)境中使用的推進(jìn)系統(tǒng)，是衛(wèi)星、飛船、探測器等各種航天器的重要的分系統(tǒng)之一。它可以為航天器的軌道轉(zhuǎn)移和定點(diǎn)提供推力，為深空探測航天器遠(yuǎn)距離航行提供動力，為航天器的位置保持、姿態(tài)控制提供控制力，同時(shí)也有著其他許多重要的作用。

推進(jìn)系統(tǒng)硬件加上所裝載的推進(jìn)劑，占據(jù)了航天器相當(dāng)大的比例。同步軌道衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)占整個(gè)衛(wèi)星質(zhì)量一半左右；星際航行探測器的推進(jìn)系統(tǒng)占整個(gè)航天器質(zhì)量的四分之三左右。

推進(jìn)系統(tǒng)的性能好壞，直接影響到航天器的控制精度、壽命及可靠性。因此，推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對航天器研制至關(guān)重要。

基石初定

20世紀(jì)60年代，美蘇冷戰(zhàn)大興航天科技，中科院積極響應(yīng)中央的指示，于1958年成立力學(xué)所懷柔分部，開始開展空間發(fā)動機(jī)技術(shù)的研究。1962年，中科院自動化所成立氣動、液動控制研究室——406室，原定于麻省理工回國的專家未及時(shí)到位，暫時(shí)由407室主任陸元九兼任。1968年，中國科學(xué)院力學(xué)所懷柔分部18名科技人員調(diào)至406室，在國內(nèi)首次開展衛(wèi)星冷氣推進(jìn)技術(shù)的研究。

同年，自動化所正式劃歸第五研究院，之后又被授予第502所番號。1969年9月，502所改編成連隊(duì)建制，406室改編成三連五班、六班，負(fù)責(zé)衛(wèi)星控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制，由齊汝先擔(dān)任三連指導(dǎo)員兼主任主持工作。其中，五班主要從事冷氣推進(jìn)系統(tǒng)的研制，六班主要負(fù)責(zé)東方紅二號單組元推進(jìn)系統(tǒng)的工作。

當(dāng)時(shí)美蘇對我國的空間推進(jìn)系統(tǒng)研制技術(shù)全面封鎖，老一輩航天人自力更生，立志一定要獨(dú)立研制出我國自己的衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)。帶著這股勁頭，通過30多年自強(qiáng)不息的艱苦奮斗，我國實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星冷氣推進(jìn)系統(tǒng)、單組元推進(jìn)系統(tǒng)、雙組元推進(jìn)系統(tǒng)三重技術(shù)突破，奠定了如今我們航天大國的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

冷氣推進(jìn)系統(tǒng)雖然比沖較低，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、姿態(tài)控制精確，因此，首先在技術(shù)上得到了突破。

1975年7月，冷氣推進(jìn)系統(tǒng)首次應(yīng)用于我國技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星。這是我國第一顆使用推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星，是衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的重大突破。在后續(xù)型號的應(yīng)用過程中，冷氣噴氣推進(jìn)系統(tǒng)逐步得到改進(jìn)，產(chǎn)品可靠性不斷提高，廣泛應(yīng)用于返回式遙感、科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星上，均工作正常并圓滿完成飛行任務(wù)。

在航天技術(shù)飛速發(fā)展的今天，冷氣推進(jìn)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、高可靠、高分辨率、精度高在一些航天器上仍有著廣泛應(yīng)用。2018年6月，我國第一顆采用固體冷氣推進(jìn)系統(tǒng)在微納光學(xué)衛(wèi)星上得到首飛應(yīng)用，完成在軌飛行控制。

單組元推進(jìn)系統(tǒng)的比沖遠(yuǎn)高于冷氣系統(tǒng)，且系統(tǒng)的可靠性高、壽命長、成本低，較冷氣推進(jìn)系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢。隨著1981年9月實(shí)踐二號衛(wèi)星的成功發(fā)射，我國成功突破了單組元推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)。

▲綠色無毒推進(jìn)系統(tǒng)

此后，單組元推進(jìn)系統(tǒng)在我國東方紅二號、東方紅二號甲、風(fēng)云系列、遙感系列等衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)以高可靠性著稱，是目前我國應(yīng)用最多的衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)……

航天器系統(tǒng)一直有1克質(zhì)量貴過10克黃金的比喻，追求高比沖一直是航天推進(jìn)人追求的目標(biāo)。1994年，設(shè)計(jì)壽命8年的東方紅三號衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著我國衛(wèi)星推進(jìn)技術(shù)又一次實(shí)現(xiàn)了巨大飛躍，雙組元推進(jìn)系統(tǒng)得到了正式應(yīng)用。

雙組元推進(jìn)系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、系統(tǒng)復(fù)雜、研制難度大的特點(diǎn)，比沖較單組元系統(tǒng)高。該推進(jìn)系統(tǒng)的成功應(yīng)用標(biāo)志著我國衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)的研制能力達(dá)到了國際先進(jìn)水平，此后雙組元推進(jìn)系統(tǒng)以高性能優(yōu)勢在我國衛(wèi)星領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

百花齊放

在新的應(yīng)用背景下，各種推進(jìn)系統(tǒng)由于其自身特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。

2000年以后，單組元推進(jìn)系統(tǒng)首次應(yīng)用于我國發(fā)射的第一顆小衛(wèi)星海洋一號，開啟了推進(jìn)系統(tǒng)的小衛(wèi)星應(yīng)用時(shí)代。

2007年10月，嫦娥一號衛(wèi)星發(fā)射成功，雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)首次應(yīng)用于深空探測領(lǐng)域，推進(jìn)系統(tǒng)成功完成軌道轉(zhuǎn)移、調(diào)整和近月制動，實(shí)現(xiàn)了中國航天的新跨越。

2018年12月8日，發(fā)射成功的“嫦娥四號”就是采用的從十幾牛到幾千牛不同推力量級的雙元發(fā)動機(jī)分別進(jìn)行姿態(tài)控制、軌道控制及降落月球時(shí)的速度控制。

冷氣推進(jìn)系統(tǒng)也由于其高精度，將應(yīng)用在天琴計(jì)劃、重力場測量衛(wèi)星等有著無拖曳要求的航天器上。此外，推進(jìn)系統(tǒng)的研制隨航天器開始向民用化、國際化以及深空應(yīng)用方向發(fā)展。

新的征程

近年來，我國不僅研發(fā)了傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)技術(shù)的新應(yīng)用，同時(shí)電推進(jìn)技術(shù)蓬勃發(fā)展，碩果連連，更在一系列的新型推進(jìn)技術(shù)上取得了新突破，包括無毒推進(jìn)、在軌加注等等。2019年預(yù)備發(fā)射的“寧夏一號”也將采用1N ADN無毒推力器。

電推進(jìn)系統(tǒng)比沖可達(dá)到普通化學(xué)推進(jìn)的十倍到數(shù)十倍，使得航天器對推進(jìn)劑的需求量大大減少，有著極大的優(yōu)勢。

2012年10月，電推進(jìn)系統(tǒng)首次在實(shí)踐九號A星上進(jìn)行了飛行驗(yàn)證，在軌運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了我國電推進(jìn)技術(shù)的重大突破。

2016年11月，1.5kW級磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)在實(shí)踐十七號衛(wèi)星上完成了在軌飛行驗(yàn)證，這也是世界上第一套完成在軌飛行驗(yàn)證工作的磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，標(biāo)志著我國具備了自主研制第二代更高性能霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的能力，將為我國后續(xù)新型衛(wèi)星平臺提供更高性能的電推進(jìn)系統(tǒng)，大幅提升我國衛(wèi)星總體技術(shù)的競爭力。

隨著電推進(jìn)技術(shù)的成熟，未來兩年，離子電推進(jìn)系統(tǒng)、霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)、電弧電推進(jìn)系統(tǒng)將在以“鴻雁星座”為代表的大型星座上使用。

同時(shí)，“實(shí)踐十七號”還搭載了我國首套無毒推進(jìn)系統(tǒng)，其在軌驗(yàn)證圓滿成功，樹立了我國衛(wèi)星推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的又一重大里程碑，我國成為世界上第二個(gè)深入掌握無毒推進(jìn)技術(shù)在軌應(yīng)用的國家。

縱觀空間推進(jìn)系統(tǒng)五十余年的發(fā)展歷程，經(jīng)過幾代空間推進(jìn)系統(tǒng)研制人員的不懈努力，克服重重困難，打破封鎖、自力更生、從無到有，實(shí)現(xiàn)了從冷氣推進(jìn)到空間核推進(jìn)技術(shù)的臺階式發(fā)展。未來，我國的空間任務(wù)的需求在不斷增加，我國的空間推進(jìn)技術(shù)也將不斷向前發(fā)展，不斷地研究新型推進(jìn)系統(tǒng)，如微推進(jìn)、核推進(jìn)、激光推進(jìn)、電帆推進(jìn)等，相信不久的將來，我國的空間推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)將會百花齊放，推動我國的航天事業(yè)更上一層樓。