作者:路飞 付毅飞 来源:科技日报 发布时间:2021/9/25 18:44:07
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十年磨一剑!空间站电推进系统成功首秀

 

记者9月25日从中国航天科技集团六院获悉,由该院801所研制的空间站天和核心舱电推进子系统4台推力器,于9月23日到24日完成首次在轨点火测试,电压、电流、流程各遥测参数均正常。

测试中,主份推力器、主份阴极、备份推力器与备份阴极分别组合点火,各工况均实现点火一次成功。核心舱舱外摄像机拍摄画面显示,火焰明亮稳定。

此次点火测试全面验证了电推进子系统系统的协调性和优良性能,为核心舱电推进转入正式工作应用进行了全面的测试和检验。

在点火之前,电推进子系统的研制人员已经完成在轨除气、系统功能自检、阴极激活、气路增压等操作,这些都是在轨自动执行的,软件会判断指令执行情况,发送下一步指令,地面飞控人员根据实时遥测情况,决定是否单步执行还是自动执行,大大增强了可靠性和便捷性。

据悉,核心舱电推进子系统是电推进在载人航天领域的首秀。

电推进子系统首次工程应用于载人航天领域

和我国空间站天和核心舱其他部组件一样,801所电推进系统部配套的电推进子系统各项准备工作早在十年前就已开始。 

2011年,各单位开始论证空间站的可行性和开展具体设计,电推进技术作为一种被广泛应用在深空探测、星际探索等方面的技术,随着载人航天器朝着大功率、长寿命的方向发展,载人航天领域首次选用其作为轨道保持的一种手段。因此,801所承担的核心舱推进分系统研制之初,就同时配置常规化学推进和霍尔电推进。

电推进子系统研制的抓总和推进工作落在了主任设计师戴晖身上。在此之前,戴晖已从事多年载人、深空化学推进的电系统研制工作,自参与载人飞船一期推进分系统研制工作以来,他主持载人飞船、目标飞行器、探月二期、空间实验室、货运飞船等多个型号的电系统研制工作,完成单机软硬件设计工作,取得电系统设计、大幅提升测试效率的地面测试设备设计、推进补加一体化信息流设计、故障检测与处置、补加关键技术浮动断接器、压气机电机驱动等多项开创性的研制成果。

在研制过程中,电推进子系统接受了型号研制流程的重重考验,在整个核心舱电推进研制团队的努力拼搏下完成了各项突破,成为空间站核心舱推进分系统的重要组成部分。

霍尔推力器各项指标满足总体技术要求

尽管早在1994年801所就已经开始了霍尔电推进技术的研究工作,并已在实践九号上成功开展了在轨飞行试验,但尚未在实际的航天任务中大量应用,对于高比冲霍尔推力器的研究工作也较少。

空间站任务提出之时,801所的研制人员根据总体提出的任务指标进行分解,在已有产品的基础上初步确定霍尔推力器的主要设计参数,同时引入必要的仿真手段,开展原理样机设计,形成原理样机后,对其进行试验研究,验证设计的正确性,若不满足性能指标,则对设计参数进行调整,这样不断迭代直到推力器满足性能指标,并引入了气体分配、磁路仿真、长寿命设计、热设计等优化手段,各项指标达到了总体技术要求。

空心阴极是霍尔推力器的电子源和中和器,推力器工作时空心阴极首先预热产生电子,电子在电场的作用下进入放电室碰撞氙推进剂并使其电离为氙离子,氙离子经过高压电场的加速喷出产生推力,同时空心阴极产生的另一部分电子中和喷出的离子,保持推力器羽流的电中性。

空心阴极是推力器正常启动、可靠工作和羽流中和的必要条件,它的寿命和可靠性直接影响了推力器的寿命和可靠性,所以在开展推力器长寿命试验前都对空心阴极进行单独的寿命和热循环验证试验,以其作为霍尔推力器电推进寿命和可靠性的一个标志。

寿命试验必须在真空环境中进行,根据型号要求,耗时长,启动次数多,为了节约时间,长期稳定放电试验和热循环试验同时进行,并通过计算机控制的自动采集程序进行,完成1万多次的寿命验证试验和2万多次的加热器热循环试验,通过试验验证了点火的可靠性,并完成了点火流程的调整。

组件可在轨更换

为满足空间站15年的在轨寿命和可靠性要求,对寿命不足以支持使用需求的电推进子系统组件需定期进行在轨更换,目前可更换的组件有霍尔推力器及贮气模块组合体。

霍尔推力器需航天员出舱进行在轨更换,正常情况下贮气模块组合体氙气已耗尽时由机械臂自动进行在轨更换,但当适配器主动端电机异常和适配器控制器异常机械臂无法自动进行在轨更换时,需安排航天员出舱对贮气模块组合体进行解锁。针对上述需求,设计人员从2017年开始进行了大量设计及验证工作。

霍尔推力器除了与舱体的机械安装,还有气路和电路的对接,涉及管路密封、电路绝缘。由于航天员出舱操作的局限,对设计的对接锁定、分离,不同主动端被动端的互换性,以及航天员安全性、可操作性、防误设计、舱内测试以及舱外转运软包、操作反馈以及标示都有相应要求,需一一满足。

贮气模块组合体需满足机械臂更换及航天员更换两种模式。机械臂更换需在贮气模块上设计小臂适配器,首先将贮气模块的小臂适配器与机械臂小臂完成机械、电路的对接,跟着小臂一起来到舱体,主动端控制器驱动电机,通过导向杆、定位销等的设计完成与安装位置舱体的机械安装、气路和电路的对接。如果小臂适配器或者主动端控制器出现故障,则需要航天员手动进行更换。

由于舱体的限制,航天员专用工具无法直接进行操作,设计人员根据实际情况设计了通用工具的维修转接工具,一端与适配器主动端的电机接头接口匹配,另外一端与电动工具接口匹配,解决了航天员的操作问题。

 
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