“天宫”掀起太空动力变革

冲天而起、精准入轨、交会对接形成组合体、航天员进入核心舱进行太空作业和空间实验，神舟十二号飞行任务实施可谓行云流水、一气呵成，让密切关注的国人荡气回肠，自豪之情油然而生。神舟十二号搭载3名宇航员首次进入空间站核心舱，时隔4年多，中国宇航员又一次挺进苍穹并拉开长期驻留太空的序幕。

随着后续航天任务密集实施，中国“天宫”呼之欲出。作为新时代的航天“宠儿”，“天宫”集现代科技之大成，应用了一批当今先进的科技成果，而电推进无疑是其中最值得称道的科技之一。“天宫”核心舱配置了4台霍尔电推进发动机，这是人类载人航天器上首次使用电推进。中国“天宫”悄然间掀起了一场太空动力变革。

比传统动力更具优势

化学动力是太空飞行的传统动力，通过燃烧化学推进剂，向后抛射物质，获得动力。实际上，运载火箭在起飞上升段采用的也是这种传统化学动力方式，为了克服地球引力，将航天器托举入轨，火箭必须加载大量的化学推进剂，通过短时间内剧烈燃烧，释放大量能量，使飞行达到发射所需要的速度，把航天器送入预定轨道。进入太空后，航天器进行维持轨道、变轨或者调整姿态等，继续需要动力，传统上动力来源于自身携带的化学燃料或者在轨补加的燃料。

运载火箭通常个头高大，矗立在发射台上显得巍峨挺拔，长征五号这样的重型火箭更是如此。作为目前中国航天最强的“大力士”，长征五号近地轨道运载能力达25吨、地球同步轨道运载能力为14吨，然而它的中芯级直径达5米，总长度近57米，起飞重量在859-879吨之间，可谓庞然大物，而化学燃料占据箭体空间和重量很大比例。在轨飞行航天器通常依赖携带的化学燃料维持运转，携带化学燃料量在很大程度上决定了航天器的寿命。除了化学燃料，人类一直在积极寻找替代性空间动力来源，以使航天发射和航天器在轨运行更高效、更经济。通过不懈努力探索和不断改进，空间电推进技术被开发出来并不断演进，向着工程化、实战化方向加速发展。

据上海空间推进研究所副总师康小录介绍，比冲高是电推进的一大优势。作为单位推进剂所产生的冲量，比冲是评价火箭推进剂性能的技术参数，比冲越高，相同条件下推进剂能够产生的速度增量越大。电推进系统具有的比冲较化学剂推进大大提高，以电推进取代化学动力意味着大幅减少航天器携带的燃料量，可省去复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等。同时，电推力虽小但推力精确、可调，能给航天器带来质量、寿命、经济等增益，提升任务执行能力，扩展空间任务范围等。

保障“天宫”平稳运行

据上海空间推进研究所研究员杭观荣介绍，中国空间电推技术研究起步于上世纪60年代，经历理论探索、工程研制、飞行试验和工程应用等阶段。几十年来，中国科学家积极投身空间电推进科研事业，大步追赶国际先进水平，取得重大突破并将其率先应用于载人航天领域，即将成就特色鲜明的中国天宫空间站。

杭观荣认为，中国空间电推研究取得了多项标志性成就。具体来说，上世纪80年代，中国航天科技集团五院510所研制的LIPS-80离子推力器获得1987年国家科技进步奖一等奖。“十五”期间，航天科技集团六院801所完成了霍尔电推进系统的工程化样机并于2012-2013年间成功进行了中国首次空间在轨电推进飞行试验，相关技术指标与国际同类产品具有同等水平。

2020年1月，中国航天科技集团发布消息称，我国首款20千瓦大功率霍尔电推进器成功完成点火试验，标志着中国霍尔电推进器推力从毫牛级实现向牛级跨越，性能达到国际先进水平。今年4月29日，随着空间站天和核心舱发射入轨，中国空间电推应用实现新突破。据了解，核心舱配备了4台霍尔电推进器，它们可以从核心舱宽大的太阳能翼获得充足的电能，根据需要，适时启动并可长期运行，将对空间站轨道维持和安全平稳飞行起到重要作用，可大大降低天宫空间站的燃料消耗。

多国竞相探索应用

空间电推进从提出至今已有100多年了。20世纪初，现代宇宙航行学奠基者、俄国人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在一篇论文中提出空间电推进概念，他在随后的论文中进一步指出，通过电可以产生强有力的氦离子流，用于驱动宇宙飞船。在其后不久，液体火箭发明者、美国人罗伯特·戈达德制造出可产生“带电粒子”设备并获得了“产生带电气体射流的方式方法”发明专利。随后，世界多国科学家展开了长期研究，旨在研发高效的空间电推进系统并付诸应用。

康小录表示，上世纪80、90年代，空间电推方式在美苏得到一定应用。一些卫星平台以电推进来执行位置保持任务。比如，1982年，苏联一款电推进系统成功应用于一颗卫星位置保持。新世纪，空间电推进应用继续拓展，2001年，欧洲发射的“阿特米斯”卫星最终依靠电推进入预定轨道。2003年，欧洲依靠电推进实施了月球探测任务。同年，日本发射“隼鸟号”小行星探测器，在最后阶段，使用电推完成任务并返回。

值得注意的是，长期以来，空间电推进系统产生的推力很有限，停留在毫牛级，被戏称仅能“推动一张纸”。比如，日本“隼鸟号”小行星探测器使用的电推进器的推力不到30毫牛，美国波音公司702卫星平台上使用的电推进器推力为165毫牛。空间电推进系统主要用于航天器的姿态控制、轨道修正和轨道维持等对推力要求不高的任务。