彭家驹卫星发动机长啥样？-空天大视野

彭家驹卫星发动机长啥样？-空天大视野

彭家驹
来源：科普中国 作者：寒木钓萌
发动机就像人的心脏一样，心脏维持人的一切生命活动，而发动机则推动机器的运转。之前，我们聊过了飞机的发动机、火箭的发动机，今天，我们就来看看卫星上的发动机又是什么样的！


高压冷气——小动力，大作用
早期的卫星，由于推进技术还不成熟，多使用高压冷气推进，而这里的冷气主要是氮气。不仅是卫星，其他航天器比如前苏联的“东方一号”载人飞船、美国的“空间实验室”也用到了冷气推进。
冷气推进的优点是安全可靠，无污染，但是推进动力小，性能低下。
大象站地上，巍然不动，你加速向其跑去并撞它，大象还是巍然不动。但假如，大象在执行太空行走任务时，恰好放了一大个屁，则大象姿态必有所改变。所以，高压冷气推进虽然性能不高，但用来调整卫星在太空中的各种姿态是绰绰有余的。
因此，我国有一小部分卫星依然还在使用高压氮气。

单组元推进系统——神奇的“肼”
第二次世界大战时，肼是德国V2导弹的其中一种燃料。在催化剂铱的作用下，肼会瞬间分解成氮气和氢气，并在几毫秒内达到800℃高温。
后来，肼则是广泛地用在了卫星动力上。
如果发动机只使用一种推进剂，就叫单组元推进剂。而像“液氧和液氢”、“液氧和煤油”这些组合就叫双组元推进剂。相应地，只使用一种推进剂比如肼的推进系统，就叫单组元推进系统。

在性能上，单组元推进系统比高压氮气推进更为优越，但跟其他动力系统相比，比冲还是较低，主要用在中小型卫星上。2002年10月我国发射的“资源2号卫星”就采用了单组元肼发动机。

此外，探测过冥王星，且是有史以来以最快发射速度离开地球的探测器“新视野号”，其电力由9.75公斤的钚-238氧化物粒料提供，而它的姿态调整以及轨道修正则由安全可靠的单组元肼发动机控制——新视野号携带了77公斤肼，作为对比，整个新视野号仅有470公斤左右。
双组元推进系统——双剑合璧
与单组元推进系统相比，双组元推进系统使用两种推进剂。

目前，广泛应用于北斗导航卫星、嫦娥一号和嫦娥二号等卫星上的490N发动机，便是属于双组元推进系统。该发动机的推进剂为四氧化二氮(N2O4)和甲基肼，其真空推力为490N，主要用来进行轨道调整，比如爬高。
上面列举的这些卫星上所用的，均是该款发动机的第一代。
2012年6月，第二代490N发动机产品成功应用在中星2A卫星上。2013年5月发射的中星11号卫星也使用了490N发动机。
2016年初，我国第三代490N发动机通过试车考核，试车寿命超过25000秒，第三代采用铼铱推力室，比冲达到325秒，比国际同行产品高出2秒。铼铱推力室负责人徐方涛说：“由于卫星携带的推进剂有限，要想提高卫星的寿命，就必须提高卫星发动机的性能。据统计，发动机的比冲每提高1秒，可节约数千克燃料，带来近亿美元的经济效益。”
前段时间的“中星9A”卫星，使用的正是490N发动机。至于是第二代还是第三代，暂无资料可查。
电推进系统——轻装上阵

最后，就是最新的电推进系统，它主要采用离子推力器，但是，实际上在非全电推进的系统中，还可能用到“肼增强推力器”和“电弧推力器”。
最核心的离子推进器，其原理是先将气体电离，后用电场力将带电的离子加速后喷出，继而产生推力。
而肼增强推力器就是单组元肼发动机中分解出高温氮气、氢气等气体后，这些气体再次通过电阻加热器加热，进一步提高燃气的温度。电弧推力器则是通过电弧加热气体，气体受热膨胀高速喷出从而产生推力。

如果是全电推进系统，则卫星不再拥有化学发动机和化学燃料，卫星重量可降低40%以上，其带来的好处不言而喻。比如，就发射成本而言，如果以前一枚火箭只能发射一枚卫星，那么，在采取全电推进后，卫星重量得以大幅下降，就能同时发射两颗卫星了，发射成本瞬间降一半！

在轨高度3.6万公里的静止轨道上的那些卫星，它们为了维持在轨15年左右的时间，还有就是其通过自身动力从转移轨道提升到静止轨道时，会消耗大量燃料。因此，这些卫星有超过一半的重量都是由推进剂带来的。
而离子推力器不需要携带推进剂，因此，可以大幅降低卫星重量，并延长在轨时间。当然，它同时也要付出代价。例如，若使用化学发动机，那么卫星从发射到定点就位只要一周或两周时间，但使用全电推进的话，此过程将耗费4到9个月，可谓龟速。不过，对于在轨十几年的通信卫星来说，牺牲五六个月的时间是可以接受的。

外行看热闹，内行看门道。不少小国家也能造卫星，甚至具有发射能力。然而，相同轨道高度和重量的卫星，我在轨18年，你在轨6年，这就是差距，而这种差距，很大的原因是由卫星上的推进系统决定的。从冷气推进到电推进系统，我国卫星上的发动机不断改造升级，这见证了我们在卫星制造和发射上所取得的一系列卓越成就！