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纯人工机器无法替代 卫星推进剂加注有多难?

时间:2016年05月20日 信息来源:微航天 点击: 【字体:

推进系统是卫星变轨、位置保持、姿态调整等任务的动力来源,推进剂携带量也直接决定了卫星的寿命。尤其是对于高轨道卫星而言,光入轨阶段消耗的化学推进剂,就约占携带量的80%。


鉴于卫星携带的推进剂在地面进行加注,其加注非常复杂,机器无法替代人工操作。那么,卫星推进剂加注是不是像汽车加油那样简单?


推进系统有两种


502所作为中国航天科技集团公司五院卫星推进分系统的抓总单位,在国内先后研制出了第一套冷气推进系统、第一套单组元推进系统、第一套双组元推进系统和第一套电推进系统,为我国绝大多数卫星提供了推进系统。据502所副所长刘磊介绍,目前,国内外卫星普遍采用液态化学推进剂,推进方式有单组元推进和双组元推进两种。


图为工作人员正在检测亚太九号卫星


单组元推进系统结构简单,经济成本低,使用方便,广泛应用于近地轨道卫星,如海洋卫星、资源卫星等。这种系统使用无水肼,通过催化分解燃烧产生推力。


另外,液态过氧化氢也可以作为单组元推进剂使用。其燃烧分解为氧气和水,算是“环境友好型”燃料。同时,它的密度较高、燃烧温度和敏感性较低,利于推进系统的设计,但其短板是能量低,燃烧比冲仅为无水肼的70%左右。


与单组元推进剂相比,双组元推进系统成本更高,但能产生更高的能量,选择范围更为广阔。


据刘磊介绍,该系统主要应用于轨道较高、寿命较长的大型卫星,这些卫星目前都在西昌发射,例如我国基于东三、东四平台的北斗导航卫星、大型通信卫星等。


双组元推进系统使用氧化剂(液态四氧化二氮)和燃烧剂(液态甲基肼)两种推进剂,火箭上则是四氧化二氮搭配偏二甲肼。二者混合燃烧释放能量,由推力器产生动力。



推进剂加注危险又复杂


无论是采用单组元推进还是双组元推进,给卫星加注都是一项和魔鬼打交道的工作。


502所加注卫星最多的老师傅白崑顺,将他干了40年的工作流程简单复述了一遍:加注时,操作人员要用高压氦气把液态推进剂一次性挤压到卫星推进剂贮箱中,同时进行尾气处理,用高锰酸钾和碳酸氢钠分别中和多余的甲基肼和四氧化二氮。加注结束后,还要用无水乙醇清洗管道。


502所研究员、推进系统部主任李永告诉记者,卫星在发射场要先加注氧化剂,大约要从早上7点加注到晚上11点;然后进行燃烧剂加注,一般要从早上7点加注到晚上7点。


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在我国,这一切工作都需要人员近距离操作,还不能达到“无人化”水平。“操作人员虽然穿着防护服,但若发生推进剂泄漏也存在较大风险。”李永说。


加注火箭燃料更是在刀尖上跳舞。西昌卫星发射中心是中国唯一采用液氢液氧低温推进剂的发射场。燃料加注时,只要0.019毫焦耳的能量,即一粒大米从一米的高处落下,撞击地面所产生的能力,就足以把氢氧混合物引爆。


此外,零下200多摄氏度的推进剂能把人冻伤,即业内常说的“低温烫伤”,人的表皮组织立刻坏死,即便是普通金属被液氧浸过后,轻轻一碰就能折断。


化学推进和电推进将并存


目前,电推进系统发展前景愈加被看好。电推进系统可为卫星提供更充沛、高效的动力,对卫星进行更精准的定位与控制。它的优点是工质需求少,工作时间长,比冲高。


对于卫星推进剂加注人员来说,采用电推进技术的卫星在发射前主要加注氙气。与以往有毒的卫星推进剂相比,氙气没有毒性,更加安全。


“不过推力低是它的最大缺点,1千瓦级的电推进系统推力通常只有几十毫牛。”李永同时指出,考虑到技术成熟度、各航天器的不同应用需求等因素,未来一段时间,化学推进和电推进在航天器上还会长期并存发展,但低成本、无毒化、高能量是永远的追求方向。


总之,随着我国卫星推进技术的发展,并不意味着传统的化学推进剂即将退出历史舞台,未来,化学推进剂、电推进甚至固体推进剂,都还会在太空中各展神通。因此,卫星推进剂加注工作仍有一定的风险性。


(作者:陈立)
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