據(jù)公開(kāi)消息，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙長(zhǎng)達(dá)17.7m，直徑4.2米，干重約21500kg，是目前長(zhǎng)度最長(zhǎng)、直徑最大的單體載人航天器，加上額外的1550千克推進(jìn)劑，發(fā)射質(zhì)量將超過(guò)23噸。 

看到這里相信大家都有個(gè)疑問(wèn)，天宮空間站不是已經(jīng)有了電推么，為何還要那么多燃料，這些燃料究竟是電推準(zhǔn)備的還是化學(xué)燃料準(zhǔn)備的？

1.5噸燃料：究竟是液氙還是肼類燃料？

突然跑出這個(gè)問(wèn)題，估計(jì)大家都有點(diǎn)懵，氙不是惰性氣體么？怎么和燃料扯上關(guān)系了？事實(shí)上氙這個(gè)54號(hào)元素正是很多離子電推或者霍爾電推的發(fā)動(dòng)機(jī)“燃料”，它的工作原理描述起來(lái)倒是不難理解，就是實(shí)現(xiàn)起來(lái)難度不小。

無(wú)論是霍爾還是離子電推，它的原理基本都是這樣的：將“燃料”電離，區(qū)分出離子（帶正電的原子核）和電子，然后將兩者分離，離子電推中是利用電場(chǎng)加速離子，最后電子用電子槍注入尾流，否則航天器上電荷不斷增加，不是一個(gè)好事。

霍爾電推則是利用磁場(chǎng)分別加速離子和電子，最后從電推發(fā)動(dòng)機(jī)“尾噴口”高速噴出，與離子電推相比兩者在結(jié)構(gòu)和比沖上差別都非常大，我們今天不關(guān)心結(jié)構(gòu)，只關(guān)心它們的“輸出”。

離子電推的比沖很高，可以達(dá)到3000S以上，但推力比較低，只有微牛以及毫牛級(jí)別，而霍爾電推則可以達(dá)到毫牛以及牛頓級(jí)別，但比沖只能達(dá)到1500S左右，不過(guò)推力要比離子電推大得多，因此在航天器以及深空探測(cè)上霍爾電推的應(yīng)用更廣泛。

霍爾電推結(jié)構(gòu)原理圖

關(guān)于電推的燃料還不少，基本上容易電離且原子序數(shù)比較高的元素都可能被選擇作為“燃料”，比如上文中的氙，還有早期的汞也是，不過(guò)有毒被放棄了，但現(xiàn)在似乎又有人要把它請(qǐng)回來(lái)，畢竟成本實(shí)在是很低，另外還有氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅也是可以的，這完全超出了一般人對(duì)于“燃料”的概念。

不同燃料下的離子發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰顏色

究竟是氙還是肼類燃料？

天宮空間站用的離子發(fā)動(dòng)機(jī)是LHT-100型霍爾電推推進(jìn)器，用的是氙，其單臺(tái)推進(jìn)力為80毫牛，四臺(tái)加起來(lái)也才320毫牛，也就是0.32牛頓，暫時(shí)我們不考慮推力，先區(qū)分出是哪種“燃料”。

這個(gè)角度能看到四個(gè)球形燃料罐

液氙屬于高壓液化氣體，確實(shí)是可以用氣罐裝的，問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙上的燃料罐似乎也有可能，但1.5噸液氙似乎又不太可能！假如用在天宮空間站上，按霍爾電推的推力估計(jì)，這幾年都用不掉！而根據(jù)肼類燃料在火箭燃料罐的形狀來(lái)推斷，這個(gè)球體罐應(yīng)該就是肼類燃料罐。

安裝在Fregat上面級(jí)的火星快車

肼類燃料基本上指的是四氧化二氮和偏二甲肼，盡管都是有毒燃料，但這倆玩意兒相遇就燃燒，不存在點(diǎn)火難題，因此在變推力發(fā)動(dòng)機(jī)以及需要多次重復(fù)點(diǎn)火的發(fā)動(dòng)機(jī)基本都是這種燃料，而天宮空間站在其壽命期內(nèi)需要“無(wú)數(shù)次”點(diǎn)火，因此肼類燃料的可能性是極高的。

阿波羅登月飛船的結(jié)構(gòu)

已經(jīng)有了電推，為何還要那么多化學(xué)燃料

分清楚了到底是氙和肼類燃料之后估計(jì)大家更懵了，因?yàn)樘旌秃诵呐撋咸旌蟾鱾€(gè)媒體都在發(fā)文稱核心艙安裝的LHT-100型霍爾電推推進(jìn)器非常先進(jìn)，燃料極端節(jié)省，與國(guó)際空間站相比燃料節(jié)省率差一個(gè)數(shù)量級(jí)，但現(xiàn)在又在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙上安裝了化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，這不是打臉么？其實(shí)不然，下文就簡(jiǎn)單來(lái)了解下為何要這樣操作。

天宮空間站為什么還要發(fā)動(dòng)機(jī)？

原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵诳臻g站的高度（離地約390千米）仍然存在大量的稀薄大氣分子，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)對(duì)空間站造成不少阻力，因此需要發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)不時(shí)的推動(dòng)一下，比如國(guó)際空間站每年消耗在軌道維持的燃料在5~7噸之間，這個(gè)消耗實(shí)在比較大，畢竟在空間站上每千克的運(yùn)輸成本就高達(dá)1-2萬(wàn)美元。

我國(guó)的LHT-100型霍爾電推推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要就是干這個(gè)用途的，盡管它推力只有0.32牛頓，但長(zhǎng)期開(kāi)機(jī)，加速天宮空間站也可以將其軌道維持在一定的高度，而其燃料消耗率很低，比起國(guó)際空間站動(dòng)輒數(shù)噸的燃料，天宮的消耗估計(jì)在千克級(jí)別，真的是數(shù)量級(jí)的差別，節(jié)省過(guò)了大量貨運(yùn)飛船的空間。

有了電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)為何還要化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)？

在問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙的錐形部位，總共有36個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中4個(gè)比較大的是軌道機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，另外有32個(gè)屬于姿態(tài)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)，這是精確控制空間站的姿態(tài)，不過(guò)輔助姿態(tài)控制的還有“無(wú)源”的動(dòng)量輪，它只需要電力即可調(diào)整空間站的姿態(tài)，這里無(wú)源的意思是不消耗燃料，只消耗太空中唾手可得的電力。

之所以還要用化學(xué)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)是因?yàn)殡娡七M(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力太低了，盡管可以維持軌道，但它作為軌道機(jī)動(dòng)使用就有點(diǎn)勉為其難了，因?yàn)樵谀壳皸l件下，至少有兩種軌道操作行為是必須用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的：

• 1、躲避太空垃圾機(jī)動(dòng)；

• 2、軌道調(diào)相機(jī)動(dòng)；

前者大家都能理解，這個(gè)太空垃圾軌道計(jì)算后預(yù)計(jì)與某月某日路過(guò)空間站附近時(shí)可能會(huì)造成威脅，因此空間站必須在這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)前改變軌道躲避，如果提早幾個(gè)月的話估計(jì)電推發(fā)動(dòng)機(jī)是可以調(diào)整的，但如果只有幾天時(shí)間的話，可能根本就來(lái)不及，因此需要大推力發(fā)動(dòng)機(jī)才能立刻調(diào)整軌道。

還有一個(gè)則是調(diào)相機(jī)動(dòng)，很多朋友對(duì)這個(gè)機(jī)動(dòng)不太了解，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是將空間站在地球上投影的星下點(diǎn)（有點(diǎn)類似正弦波軌跡）的相位往前或者往后調(diào)整改下，以便星下點(diǎn)經(jīng)過(guò)某個(gè)位置，為飛船快速返回或者飛船比如本次的問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙快速對(duì)接做好準(zhǔn)備。

比如此前我國(guó)的飛船與天宮一號(hào)和二號(hào)對(duì)接時(shí)至少需要兩天時(shí)間，這是因?yàn)閮烧哕壍老嗖畋容^大，飛船發(fā)射后要去追目標(biāo)飛行器，慢慢調(diào)整到可以對(duì)接時(shí)2天已經(jīng)過(guò)去了！這航天員在飛船里穿著尿不濕，坐上兩天，估計(jì)臉都要綠了！

現(xiàn)在有了能自由機(jī)動(dòng)的天宮空間站就省事了，調(diào)整相位，迎接飛船快速對(duì)接，發(fā)射后6.5小時(shí)就能對(duì)接空間站，就像一趟長(zhǎng)途汽車，忍忍就到了哈！不過(guò)這個(gè)調(diào)相可能會(huì)經(jīng)過(guò)多次，也要求在短期內(nèi)完成，比如幾天，能滿足這個(gè)要求的目前而言也只能化學(xué)能發(fā)動(dòng)機(jī)。

延伸閱讀：更大的電推

2022年1月29日，觀察者網(wǎng)官方微博發(fā)布了一個(gè)重大新聞，我國(guó)百千瓦級(jí)霍爾推力器性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平！航天科技集團(tuán)五院510所大功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)取得重大突破：

在地面試驗(yàn)中，單通道霍爾推力器（HET-450）以Xe（氙）為工質(zhì)最大功率到105千瓦，最大推力達(dá)到4.6牛，以氪為工質(zhì)最高比沖超過(guò)5100秒，標(biāo)志我國(guó)在大功率電推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，百千瓦級(jí)霍爾推力器性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并實(shí)現(xiàn)了單通道霍爾推力器比肩美國(guó)多通道X3霍爾推力器（最大功率102千瓦，最大推力5.4牛）的技術(shù)水平。

這種級(jí)別的霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)只要多裝幾臺(tái)，在天宮空間站上應(yīng)對(duì)軌道機(jī)動(dòng)就比較有可能了，只是它的功率消耗有點(diǎn)大，比如目前我國(guó)天宮空間站上太陽(yáng)能電池能提供的功率也只有十幾千瓦，未來(lái)擴(kuò)展后也不過(guò)100千瓦左右，如果在軌道調(diào)整的短期內(nèi)要達(dá)到這個(gè)功率，那么有三種辦法：

• 1、加大太陽(yáng)能電池面積；

• 2、增加蓄電池，臨時(shí)大功率供電

• 3、小型核反應(yīng)堆供電；

似乎前后兩種都有點(diǎn)不太靠譜，只能加個(gè)蓄電池，比如航天級(jí)但鋰離子電池，能提供百千瓦級(jí)的電池重量還不小，與化學(xué)燃料相比，不知道性價(jià)比如何，這個(gè)得有航天專家測(cè)算下，據(jù)種花家估計(jì)，這種用電但非常節(jié)省燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)一定是深空探測(cè)的未來(lái)。

比如在這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的未來(lái)應(yīng)用上就有登月以及行星探測(cè)等前景應(yīng)用，希望這種電推發(fā)動(dòng)機(jī)能達(dá)到數(shù)十牛級(jí)別甚至更高，那么未來(lái)的載人火星登陸也將更為現(xiàn)實(shí)。（完）