空間站電推進系統(tǒng)成功首秀 組件可在軌更換

記者9月25日從中國航天科技集團六院獲悉，由該院801所研制的空間站天和核心艙電推進子系統(tǒng)4臺推力器，于9月23日到24日完成首次在軌點火測試，電壓、電流、流程各遙測參數(shù)均正常。

測試中，主份推力器、主份陰極、備份推力器與備份陰極分別組合點火，各工況均實現(xiàn)點火一次成功。核心艙艙外攝像機拍攝畫面顯示，火焰明亮穩(wěn)定。

此次點火測試全面驗證了電推進子系統(tǒng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和優(yōu)良性能，為核心艙電推進轉(zhuǎn)入正式工作應(yīng)用進行了全面的測試和檢驗。

在點火之前，電推進子系統(tǒng)的研制人員已經(jīng)完成在軌除氣、系統(tǒng)功能自檢、陰極激活、氣路增壓等操作，這些都是在軌自動執(zhí)行的，軟件會判斷指令執(zhí)行情況，發(fā)送下一步指令，地面飛控人員根據(jù)實時遙測情況，決定是否單步執(zhí)行還是自動執(zhí)行，大大增強了可靠性和便捷性。

據(jù)悉，核心艙電推進子系統(tǒng)是電推進在載人航天領(lǐng)域的首秀。

電推進子系統(tǒng)首次工程應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域

和我國空間站天和核心艙其他部組件一樣，801所電推進系統(tǒng)部配套的電推進子系統(tǒng)各項準備工作早在十年前就已開始。

2011年，各單位開始論證空間站的可行性和開展具體設(shè)計，電推進技術(shù)作為一種被廣泛應(yīng)用在深空探測、星際探索等方面的技術(shù)，隨著載人航天器朝著大功率、長壽命的方向發(fā)展，載人航天領(lǐng)域首次選用其作為軌道保持的一種手段。因此，801所承擔的核心艙推進分系統(tǒng)研制之初，就同時配置常規(guī)化學推進和霍爾電推進。

電推進子系統(tǒng)研制的抓總和推進工作落在了主任設(shè)計師戴暉身上。在此之前，戴暉已從事多年載人、深空化學推進的電系統(tǒng)研制工作，自參與載人飛船一期推進分系統(tǒng)研制工作以來，他主持載人飛船、目標飛行器、探月二期、空間實驗室、貨運飛船等多個型號的電系統(tǒng)研制工作，完成單機軟硬件設(shè)計工作，取得電系統(tǒng)設(shè)計、大幅提升測試效率的地面測試設(shè)備設(shè)計、推進補加一體化信息流設(shè)計、故障檢測與處置、補加關(guān)鍵技術(shù)浮動斷接器、壓氣機電機驅(qū)動等多項開創(chuàng)性的研制成果。

在研制過程中，電推進子系統(tǒng)接受了型號研制流程的重重考驗，在整個核心艙電推進研制團隊的努力拼搏下完成了各項突破，成為空間站核心艙推進分系統(tǒng)的重要組成部分。

霍爾推力器各項指標滿足總體技術(shù)要求

盡管早在1994年801所就已經(jīng)開始了霍爾電推進技術(shù)的研究工作，并已在實踐九號上成功開展了在軌飛行試驗，但尚未在實際的航天任務(wù)中大量應(yīng)用，對于高比沖霍爾推力器的研究工作也較少。

空間站任務(wù)提出之時，801所的研制人員根據(jù)總體提出的任務(wù)指標進行分解，在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上初步確定霍爾推力器的主要設(shè)計參數(shù)，同時引入必要的仿真手段，開展原理樣機設(shè)計，形成原理樣機后，對其進行試驗研究，驗證設(shè)計的正確性，若不滿足性能指標，則對設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整，這樣不斷迭代直到推力器滿足性能指標，并引入了氣體分配、磁路仿真、長壽命設(shè)計、熱設(shè)計等優(yōu)化手段，各項指標達到了總體技術(shù)要求。

空心陰極是霍爾推力器的電子源和中和器，推力器工作時空心陰極首先預熱產(chǎn)生電子，電子在電場的作用下進入放電室碰撞氙推進劑并使其電離為氙離子，氙離子經(jīng)過高壓電場的加速噴出產(chǎn)生推力，同時空心陰極產(chǎn)生的另一部分電子中和噴出的離子，保持推力器羽流的電中性。

空心陰極是推力器正常啟動、可靠工作和羽流中和的必要條件，它的壽命和可靠性直接影響了推力器的壽命和可靠性，所以在開展推力器長壽命試驗前都對空心陰極進行單獨的壽命和熱循環(huán)驗證試驗，以其作為霍爾推力器電推進壽命和可靠性的一個標志。

壽命試驗必須在真空環(huán)境中進行，根據(jù)型號要求，耗時長，啟動次數(shù)多，為了節(jié)約時間，長期穩(wěn)定放電試驗和熱循環(huán)試驗同時進行，并通過計算機控制的自動采集程序進行，完成1萬多次的壽命驗證試驗和2萬多次的加熱器熱循環(huán)試驗，通過試驗驗證了點火的可靠性，并完成了點火流程的調(diào)整。

組件可在軌更換

為滿足空間站15年的在軌壽命和可靠性要求，對壽命不足以支持使用需求的電推進子系統(tǒng)組件需定期進行在軌更換，目前可更換的組件有霍爾推力器及貯氣模塊組合體。

霍爾推力器需航天員出艙進行在軌更換，正常情況下貯氣模塊組合體氙氣已耗盡時由機械臂自動進行在軌更換，但當適配器主動端電機異常和適配器控制器異常機械臂無法自動進行在軌更換時，需安排航天員出艙對貯氣模塊組合體進行解鎖。針對上述需求，設(shè)計人員從2017年開始進行了大量設(shè)計及驗證工作。

霍爾推力器除了與艙體的機械安裝，還有氣路和電路的對接，涉及管路密封、電路絕緣。由于航天員出艙操作的局限，對設(shè)計的對接鎖定、分離，不同主動端被動端的互換性，以及航天員安全性、可操作性、防誤設(shè)計、艙內(nèi)測試以及艙外轉(zhuǎn)運軟包、操作反饋以及標示都有相應(yīng)要求，需一一滿足。

貯氣模塊組合體需滿足機械臂更換及航天員更換兩種模式。機械臂更換需在貯氣模塊上設(shè)計小臂適配器，首先將貯氣模塊的小臂適配器與機械臂小臂完成機械、電路的對接，跟著小臂一起來到艙體，主動端控制器驅(qū)動電機，通過導向桿、定位銷等的設(shè)計完成與安裝位置艙體的機械安裝、氣路和電路的對接。如果小臂適配器或者主動端控制器出現(xiàn)故障，則需要航天員手動進行更換。

由于艙體的限制，航天員專用工具無法直接進行操作，設(shè)計人員根據(jù)實際情況設(shè)計了通用工具的維修轉(zhuǎn)接工具，一端與適配器主動端的電機接頭接口匹配，另外一端與電動工具接口匹配，解決了航天員的操作問題。(路飛 付毅飛)