02所的科研人員設(shè)計(jì)出了精密的溫度控制系統(tǒng)，通過對(duì)氙氣源溫度、加注設(shè)備溫度的嚴(yán)格控制，保證了加注過程中氙氣溫度滿足要求。更多信息請(qǐng)點(diǎn)擊：，或者撥打我們的熱線電話：400-6277-838

  當(dāng)火星探測(cè)器“好奇”號(hào)在火星著陸時(shí)，有多少國(guó)人也殷切地希望有一天我國(guó)也能完成深空探測(cè)的創(chuàng)舉。

  去年年底，中國(guó)航天科技集團(tuán)第五研究院502所（以下簡(jiǎn)稱502所）一項(xiàng)對(duì)外公布的科研成果，讓中國(guó)也有望躋身世界擁有深空探測(cè)技術(shù)的國(guó)家之列。

  這，就是高純度氙氣加注技術(shù)。

  電推進(jìn)系統(tǒng)的常用工質(zhì)

  從上世紀(jì)60年代，美國(guó)和蘇聯(lián)就開始了電推進(jìn)技術(shù)的相關(guān)研究，并于上世紀(jì)80年代完成了電推力器工程樣機(jī)的研制及飛行實(shí)驗(yàn)。到上世紀(jì)90年代末，電推力器開始在衛(wèi)星上廣泛應(yīng)用。如今，電推進(jìn)技術(shù)越來越成熟，向更高性能方向發(fā)展。

  目前，國(guó)際上廣泛采用的電推進(jìn)技術(shù)主要有兩種。一種是離子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，其比沖約為3000~4100s；另一種是霍爾發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，其比沖約為1500~1600s。在電推進(jìn)系統(tǒng)中，需要一種能將電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)，學(xué)名為工質(zhì)。氙氣則是公認(rèn)的工質(zhì)。

  在日常生活中，人們對(duì)于氙氣的認(rèn)識(shí)恐怕只停留在某些汽車品牌使用的氙氣大燈上，白色的燈光似乎代表著高端大氣，不過這僅僅是對(duì)氙氣較為淺顯的認(rèn)識(shí)。鮮為人知的是，在航天領(lǐng)域，“離子電推進(jìn)與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，比沖要大10倍。”中國(guó)空間技術(shù)研究院502所研究員武蔥蘢告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者。

  在宇航推進(jìn)中，表征其性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)就是推進(jìn)技術(shù)的比沖，也就是消耗單位質(zhì)量推進(jìn)劑所能產(chǎn)生的沖量大小。比沖越大，推進(jìn)技術(shù)性能越高。“對(duì)于同樣的宇航任務(wù)，電推進(jìn)攜帶的推進(jìn)劑約為化學(xué)推進(jìn)的十分之一，甚至更少。這樣對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)來說，電推進(jìn)比化學(xué)推進(jìn)更具優(yōu)勢(shì)。”武蔥蘢進(jìn)一步解釋說。

  雖然在世界其他航天科技大國(guó)，氙氣的使用已經(jīng)不是新聞，但在國(guó)內(nèi)還是空白。世界各國(guó)對(duì)于氙氣一些特性的應(yīng)用更是嚴(yán)格保密，因?yàn)楦呒兌入瘹鈱?duì)宇航領(lǐng)域來說是一種戰(zhàn)略資源。“當(dāng)我們開始電推進(jìn)研究時(shí)，因?yàn)閲?guó)內(nèi)氙氣純度較低轉(zhuǎn)而從國(guó)外購(gòu)買時(shí)，還受到了國(guó)外的限制。”武蔥蘢表示。

  先描繪氙氣圖譜

  既然是空白，且無法從其他渠道拿到全面可靠的數(shù)據(jù)，那么關(guān)于氙氣的一切都要盡自己之力開始研究，首先需要了解的就是氙氣的特性。2015年3月，502所成功繪制出了國(guó)內(nèi)首張氙氣物理特性圖譜，獲得了氙氣在不同狀態(tài)下溫度、壓力、密度的變化規(guī)律。為了繪制氙氣特性圖譜，科研人員自主研制了氙氣物理特性試驗(yàn)系統(tǒng)。他們根據(jù)電推進(jìn)系統(tǒng)工況要求設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，開展了氙氣物理特性測(cè)量試驗(yàn)。

  氙氣物理特性圖譜的成功繪制，為電推進(jìn)系統(tǒng)工程應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。但這并沒有減少之后工作的困難，502所馬上面對(duì)的就是最難的部分——如何將氙氣成功加注到衛(wèi)星上。

  從地面到衛(wèi)星，502所邁過了無數(shù)困難。

  打響加注氙氣攻堅(jiān)戰(zhàn)

  在眾多困難中，有三個(gè)是最棘手的。首當(dāng)其沖的就是如何保證氙氣的純度，不論是購(gòu)買的氙氣源純度還是加注過程中的氙氣純度都需要保證。“衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)中氙氣濃度要求最低也要達(dá)到99.995%，其中的水氧含量均不能超過2ppm。”武蔥蘢說。ppm是百萬分比濃度單位，也就是說1升氙氣中，水或氧的含量不能超過0.002毫升。一旦超過這個(gè)限值，容易造成電推力器陰極氧化，導(dǎo)致其壽命受損。在保證氙氣源純度的同時(shí)，還要保證加注前衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)、地面加注系統(tǒng)的純度滿足要求。為此，502所的科研人員經(jīng)過大量的仿真分析和試驗(yàn)摸索，得到了具有針對(duì)性的系統(tǒng)純度保證技術(shù)，解決了氙氣加注過程中的一大難題。

  此外，氙氣源的獲取也是科研人員面臨的難題。氙氣的提取極其困難，因?yàn)樵诳諝庵须瘹獾暮渴?/10-8，所以氙氣往往從鋼廠大型空分設(shè)備中提取獲得。但在調(diào)查了首鋼、邯鋼和武鋼后，502所的科研人員發(fā)現(xiàn)這些制備的氙氣純度都達(dá)不到宇航級(jí)要求。

  在國(guó)內(nèi)氙氣供給不足，國(guó)外進(jìn)口宇航級(jí)氙氣受阻的情況下，502所的科研人員從國(guó)外進(jìn)口少量的高純度氙氣，一邊打報(bào)告給上級(jí)要求加強(qiáng)國(guó)內(nèi)制備高純氙氣的能力。“現(xiàn)在已經(jīng)完成了招標(biāo)工作，我們也已經(jīng)開始高純氙氣的制備。”502所高級(jí)工程師宋飛告訴記者。

  而在氙氣并不充足的日子里，科研人員自己創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的提純氙氣的方法。他們利用氙氣超臨界點(diǎn)偏高的特性，將溫度降低到十幾攝氏度時(shí)，其他氣體沒有變化，但是氙氣則呈現(xiàn)液態(tài)的特點(diǎn)，這樣再進(jìn)行抽真空，將這個(gè)溫度下氦氣、氪氣等惰性氣體抽出，反復(fù)多次就可以得到高純度氙氣。

  接下來，需要完成的就是如何將氙氣注入衛(wèi)星中。“地面氙氣源的壓力在6Mpa左右，首先可以在自由壓力的狀態(tài)下將氙氣源落壓填充到衛(wèi)星中，但當(dāng)氙氣源和衛(wèi)星壓力平衡后，我們就需要想辦法將氙氣源增壓。”宋飛介紹道。

  這個(gè)看似簡(jiǎn)單的過程對(duì)于氙氣加注工作來說卻是另一個(gè)難題。首先，氙氣的物理特性非常特殊，在加注過程中要避免固態(tài)氙的出現(xiàn)；其次，要保證整個(gè)加注過程中氙氣的純度；第三，如果使用傳統(tǒng)的增壓泵機(jī)械加注方式，氙氣會(huì)將機(jī)械做功產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，令溫度迅速上升。但是，衛(wèi)星上氙氣瓶的溫度要求不超過45℃。不僅是溫度會(huì)超標(biāo)，溫度迅速攀升會(huì)造成加注過程中氙氣壓力的不斷增加，可能在氙氣加注完成之前衛(wèi)星內(nèi)部的氣壓就超過了設(shè)計(jì)值。

  502所的科研人員通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)有的國(guó)家在選擇機(jī)械加注方式的時(shí)候只能加注幾公斤的氙氣，且速度非常慢，但這對(duì)于需求量較大的衛(wèi)星并不適用。

  那么，如何在加注過程中保證衛(wèi)星上氙氣瓶的溫度不超過45℃，同時(shí)完成規(guī)定的加注量，并且保證氙氣的純度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。科研人員開始關(guān)注另外一種加注方式，通過“中轉(zhuǎn)站”來完成加注。

  “中轉(zhuǎn)站”是個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換裝置。通過對(duì)“中轉(zhuǎn)站”內(nèi)部降溫，使其內(nèi)部氙氣壓力隨之降低，當(dāng)?shù)陀陔瘹庠吹膲毫r(shí)，在壓差的作用下，氙氣源中的氙氣會(huì)流入“中轉(zhuǎn)站”。之后，通過“中轉(zhuǎn)站”內(nèi)部的加熱系統(tǒng)，讓流入內(nèi)部的氙氣升溫，氙氣的壓力隨之升高。當(dāng)壓力高于衛(wèi)星上的氙氣瓶時(shí)，同樣利用壓差的原理，讓氙氣從“中轉(zhuǎn)站”流出，進(jìn)入衛(wèi)星上的氣瓶中。因?yàn)槟壳?ldquo;中轉(zhuǎn)站”的體積較小，所以需要不斷重復(fù)上述過程，才能完成規(guī)定的加注量。

  同時(shí)，502所的科研人員設(shè)計(jì)出了精密的溫度控制系統(tǒng)，通過對(duì)氙氣源溫度、加注設(shè)備溫度的嚴(yán)格控制，保證了加注過程中氙氣溫度滿足要求。

  原理看似簡(jiǎn)單，但是電推進(jìn)氙氣加注技術(shù)的方法與具體設(shè)計(jì)參數(shù)都經(jīng)過了多次仿真和試驗(yàn)摸索。不論是純度的保證還是氙氣加注過程的控制，502所的科研人員都進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，同時(shí)也得到了衛(wèi)星總體單位的高度重視和大力支持。在經(jīng)過多次“摸爬滾打”之后，終于在去年12月底，502所向相關(guān)上級(jí)單位展示了這項(xiàng)技術(shù)，為我國(guó)電推進(jìn)技術(shù)的正式應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的保障。