卫星发动机长啥样?

来源:科普中国发布时间:2019-02-28

在《流浪地球》里见识了行星发动机,那么,卫星发动机又是啥模样?

  发动机就像人的心脏一样,心脏维持人的一切生命活动,而发动机则推动机器的运转。之前,我们聊过了飞机的发动机、火箭的发动机,今天,我们就来看看卫星上的发动机又是什么样的! 

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  高压冷气——小动力,大作用 

  早期的卫星,由于推进技术还不成熟,多使用高压冷气推进,而这里的冷气主要是氮气。不仅是卫星,其他航天器比如前苏联的“东方一号”载人飞船、美国的“空间实验室”也用到了冷气推进。 

  冷气推进的优点是安全可靠,无污染,但是推进动力小,性能低下。 

  大象站地上,巍然不动,你加速向其跑去并撞它,大象还是巍然不动。但假如,大象在执行太空行走任务时,恰好放了一大个屁,则大象姿态必有所改变。所以,高压冷气推进虽然性能不高,但用来调整卫星在太空中的各种姿态是绰绰有余的。 

  因此,我国有一小部分卫星依然还在使用高压氮气。 

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  单组元推进系统——神奇的“肼” 

  第二次世界大战时,肼是德国V2导弹的其中一种燃料。在催化剂铱的作用下,肼会瞬间分解成氮气和氢气,并在几毫秒内达到800℃高温。 

  后来,肼则是广泛地用在了卫星动力上。 

  如果发动机只使用一种推进剂,就叫单组元推进剂。而像“液氧和液氢”、“液氧和煤油”这些组合就叫双组元推进剂。相应地,只使用一种推进剂比如肼的推进系统,就叫单组元推进系统。 

 

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  在性能上,单组元推进系统比高压氮气推进更为优越,但跟其他动力系统相比,比冲还是较低,主要用在中小型卫星上。200210月我国发射的“资源2号卫星”就采用了单组元肼发动机。 

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  此外,探测过冥王星,且是有史以来以最快发射速度离开地球的探测器“新视野号”,其电力由9.75公斤的钚-238氧化物粒料提供,而它的姿态调整以及轨道修正则由安全可靠的单组元肼发动机控制——新视野号携带了77公斤肼,作为对比,整个新视野号仅有470公斤左右。 

    

  双组元推进系统——双剑合璧 

  与单组元推进系统相比,双组元推进系统使用两种推进剂。 

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  目前,广泛应用于北斗导航卫星、嫦娥一号和嫦娥二号等卫星上的490N发动机,便是属于双组元推进系统。该发动机的推进剂为四氧化二氮(N2O4) 和甲基肼,其真空推力为490N,主要用来进行轨道调整,比如爬高。 

  上面列举的这些卫星上所用的,均是该款发动机的第一代。 

  20126月,第二代490N发动机产品成功应用在中星2A卫星上。20135月发射的中星11号卫星也使用了490N发动机。 

  2016年初,我国第三代490N发动机通过试车考核,试车寿命超过25000秒,第三代采用铼铱推力室,比冲达到325秒,比国际同行产品高出2秒。铼铱推力室负责人徐方涛说:“由于卫星携带的推进剂有限,要想提高卫星的寿命,就必须提高卫星发动机的性能。据统计,发动机的比冲每提高1秒,可节约数千克燃料,带来近亿美元的经济效益。” 

  前段时间的“中星9A”卫星,使用的正是490N发动机。至于是第二代还是第三代,暂无资料可查。 

  电推进系统——轻装上阵 

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  最后,就是最新的电推进系统,它主要采用离子推力器,但是,实际上在非全电推进的系统中,还可能用到“肼增强推力器”和“电弧推力器”。 

  最核心的离子推进器,其原理是先将气体电离,后用电场力将带电的离子加速后喷出,继而产生推力。 

  而肼增强推力器就是单组元肼发动机中分解出高温氮气、氢气等气体后,这些气体再次通过电阻加热器加热,进一步提高燃气的温度。电弧推力器则是通过电弧加热气体,气体受热膨胀高速喷出从而产生推力。 

    

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  如果是全电推进系统,则卫星不再拥有化学发动机和化学燃料,卫星重量可降低40%以上,其带来的好处不言而喻。比如,就发射成本而言,如果以前一枚火箭只能发射一枚卫星,那么,在采取全电推进后,卫星重量得以大幅下降,就能同时发射两颗卫星了,发射成本瞬间降一半!    

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  在轨高度3.6万公里的静止轨道上的那些卫星,它们为了维持在轨15年左右的时间,还有就是其通过自身动力从转移轨道提升到静止轨道时,会消耗大量燃料。因此,这些卫星有超过一半的重量都是由推进剂带来的。 

  而离子推力器不需要携带推进剂,因此,可以大幅降低卫星重量,并延长在轨时间。当然,它同时也要付出代价。例如,若使用化学发动机,那么卫星从发射到定点就位只要一周或两周时间,但使用全电推进的话,此过程将耗费49个月,可谓龟速。不过,对于在轨十几年的通信卫星来说,牺牲五六个月的时间是可以接受的。 

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  外行看热闹,内行看门道。不少小国家也能造卫星,甚至具有发射能力。然而,相同轨道高度和重量的卫星,我在轨18年,你在轨6年,这就是差距,而这种差距,很大的原因是由卫星上的推进系统决定的。从冷气推进到电推进系统,我国卫星上的发动机不断改造升级,这见证了我们在卫星制造和发射上所取得的一系列卓越成就! 

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