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电推进氙气加注技术助力深空探测

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2016-12-05 16:48:00【

  02所的科研人员设计出了精密的温度控制系统,通过对氙气源温度、加注设备温度的严格控制,保证了加注过程中氙气温度满足要求。更多信息请点击:在线询价,或者拨打我们的热线电话:400-6277-838

 

  当火星探测器“好奇”号在火星着陆时,有多少国人也殷切地希望有一天我国也能完成深空探测的创举。

 

  去年年底,中国航天科技集团第五研究院502所(以下简称502所)一项对外公布的科研成果,让中国也有望跻身世界拥有深空探测技术的国家之列。

 

 

  这,就是高纯度氙气加注技术。

 

  电推进系统的常用工质

 

  从上世纪60年代,美国和苏联就开始了电推进技术的相关研究,并于上世纪80年代完成了电推力器工程样机的研制及飞行实验。到上世纪90年代末,电推力器开始在卫星上广泛应用。如今,电推进技术越来越成熟,向更高性能方向发展。

 

  目前,国际上广泛采用的电推进技术主要有两种。一种是离子发动机技术,其比冲约为3000~4100s;另一种是霍尔发动机技术,其比冲约为1500~1600s。在电推进系统中,需要一种能将电能和机械能相互转化的媒介物质,学名为工质。氙气则是公认的工质。

 

  在日常生活中,人们对于氙气的认识恐怕只停留在某些汽车品牌使用的氙气大灯上,白色的灯光似乎代表着高端大气,不过这仅仅是对氙气较为浅显的认识。鲜为人知的是,在航天领域,“离子电推进与传统的化学推进相比,比冲要大10倍。”中国空间技术研究院502所研究员武葱茏告诉《中国科学报》记者。

 

  在宇航推进中,表征其性能优劣的主要指标就是推进技术的比冲,也就是消耗单位质量推进剂所能产生的冲量大小。比冲越大,推进技术性能越高。“对于同样的宇航任务,电推进携带的推进剂约为化学推进的十分之一,甚至更少。这样对于深空探测任务来说,电推进比化学推进更具优势。”武葱茏进一步解释说。

 

  虽然在世界其他航天科技大国,氙气的使用已经不是新闻,但在国内还是空白。世界各国对于氙气一些特性的应用更是严格保密,因为高纯度氙气对宇航领域来说是一种战略资源。“当我们开始电推进研究时,因为国内氙气纯度较低转而从国外购买时,还受到了国外的限制。”武葱茏表示。

 

  先描绘氙气图谱

 

  既然是空白,且无法从其他渠道拿到全面可靠的数据,那么关于氙气的一切都要尽自己之力开始研究,首先需要了解的就是氙气的特性。2015年3月,502所成功绘制出了国内首张氙气物理特性图谱,获得了氙气在不同状态下温度、压力、密度的变化规律。为了绘制氙气特性图谱,科研人员自主研制了氙气物理特性试验系统。他们根据电推进系统工况要求设计了试验方案,开展了氙气物理特性测量试验。

 

  氙气物理特性图谱的成功绘制,为电推进系统工程应用奠定了坚实的基础。但这并没有减少之后工作的困难,502所马上面对的就是最难的部分——如何将氙气成功加注到卫星上。

 

  从地面到卫星,502所迈过了无数困难。

 

  打响加注氙气攻坚战

 

  在众多困难中,有三个是最棘手的。首当其冲的就是如何保证氙气的纯度,不论是购买的氙气源纯度还是加注过程中的氙气纯度都需要保证。“卫星推进系统中氙气浓度要求最低也要达到99.995%,其中的水氧含量均不能超过2ppm。”武葱茏说。ppm是百万分比浓度单位,也就是说1升氙气中,水或氧的含量不能超过0.002毫升。一旦超过这个限值,容易造成电推力器阴极氧化,导致其寿命受损。在保证氙气源纯度的同时,还要保证加注前卫星电推进系统、地面加注系统的纯度满足要求。为此,502所的科研人员经过大量的仿真分析和试验摸索,得到了具有针对性的系统纯度保证技术,解决了氙气加注过程中的一大难题。

 

  此外,氙气源的获取也是科研人员面临的难题。氙气的提取极其困难,因为在空气中氙气的含量是1/10-8,所以氙气往往从钢厂大型空分设备中提取获得。但在调查了首钢、邯钢和武钢后,502所的科研人员发现这些制备的氙气纯度都达不到宇航级要求。

 

  在国内氙气供给不足,国外进口宇航级氙气受阻的情况下,502所的科研人员从国外进口少量的高纯度氙气,一边打报告给上级要求加强国内制备高纯氙气的能力。“现在已经完成了招标工作,我们也已经开始高纯氙气的制备。”502所高级工程师宋飞告诉记者。

 

  而在氙气并不充足的日子里,科研人员自己创造了实验室内部的提纯氙气的方法。他们利用氙气超临界点偏高的特性,将温度降低到十几摄氏度时,其他气体没有变化,但是氙气则呈现液态的特点,这样再进行抽真空,将这个温度下氦气、氪气等惰性气体抽出,反复多次就可以得到高纯度氙气。

 

  接下来,需要完成的就是如何将氙气注入卫星中。“地面氙气源的压力在6Mpa左右,首先可以在自由压力的状态下将氙气源落压填充到卫星中,但当氙气源和卫星压力平衡后,我们就需要想办法将氙气源增压。”宋飞介绍道。

 

  这个看似简单的过程对于氙气加注工作来说却是另一个难题。首先,氙气的物理特性非常特殊,在加注过程中要避免固态氙的出现;其次,要保证整个加注过程中氙气的纯度;第三,如果使用传统的增压泵机械加注方式,氙气会将机械做功产生的动能转化为热能,令温度迅速上升。但是,卫星上氙气瓶的温度要求不超过45℃。不仅是温度会超标,温度迅速攀升会造成加注过程中氙气压力的不断增加,可能在氙气加注完成之前卫星内部的气压就超过了设计值。

 

  502所的科研人员通过调研发现有的国家在选择机械加注方式的时候只能加注几公斤的氙气,且速度非常慢,但这对于需求量较大的卫星并不适用。

 

  那么,如何在加注过程中保证卫星上氙气瓶的温度不超过45℃,同时完成规定的加注量,并且保证氙气的纯度是一项挑战。科研人员开始关注另外一种加注方式,通过“中转站”来完成加注。

 

  “中转站”是个关键的转换装置。通过对“中转站”内部降温,使其内部氙气压力随之降低,当低于氙气源的压力时,在压差的作用下,氙气源中的氙气会流入“中转站”。之后,通过“中转站”内部的加热系统,让流入内部的氙气升温,氙气的压力随之升高。当压力高于卫星上的氙气瓶时,同样利用压差的原理,让氙气从“中转站”流出,进入卫星上的气瓶中。因为目前“中转站”的体积较小,所以需要不断重复上述过程,才能完成规定的加注量。

 

  同时,502所的科研人员设计出了精密的温度控制系统,通过对氙气源温度、加注设备温度的严格控制,保证了加注过程中氙气温度满足要求。

  原理看似简单,但是电推进氙气加注技术的方法与具体设计参数都经过了多次仿真和试验摸索。不论是纯度的保证还是氙气加注过程的控制,502所的科研人员都进行了大量的试验,同时也得到了卫星总体单位的高度重视和大力支持。在经过多次“摸爬滚打”之后,终于在去年12月底,502所向相关上级单位展示了这项技术,为我国电推进技术的正式应用提供了强有力的保障。

 

 

 

 

 

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