文/林倩 汪旭東 薛英民

▲“嫦娥四號”奔月過程示意圖

嫦娥四號探測器在2018年12月8日凌晨被送上太空后，并不是直接飛到了月球上，而是經(jīng)過中途修正、近月制動、繞月飛行、環(huán)月降軌等幾個過程，到2019年1月3日上午才著陸月背。這中間隔了二十多天，“嫦娥四號”是如何靈活地完成各項指令的呢？這就要感謝它身上安裝的發(fā)動機們——空間推進系統(tǒng)了。

重要作用

空間推進系統(tǒng)是指在大氣層外空間環(huán)境中使用的推進系統(tǒng)，是衛(wèi)星、飛船、探測器等各種航天器的重要的分系統(tǒng)之一。它可以為航天器的軌道轉(zhuǎn)移和定點提供推力，為深空探測航天器遠距離航行提供動力，為航天器的位置保持、姿態(tài)控制提供控制力，同時也有著其他許多重要的作用。

推進系統(tǒng)硬件加上所裝載的推進劑，占據(jù)了航天器相當(dāng)大的比例。同步軌道衛(wèi)星推進系統(tǒng)占整個衛(wèi)星質(zhì)量一半左右；星際航行探測器的推進系統(tǒng)占整個航天器質(zhì)量的四分之三左右。

推進系統(tǒng)的性能好壞，直接影響到航天器的控制精度、壽命及可靠性。因此，推進系統(tǒng)的設(shè)計對航天器研制至關(guān)重要。

基石初定

20世紀(jì)60年代，美蘇冷戰(zhàn)大興航天科技，中科院積極響應(yīng)中央的指示，于1958年成立力學(xué)所懷柔分部，開始開展空間發(fā)動機技術(shù)的研究。1962年，中科院自動化所成立氣動、液動控制研究室——406室，原定于麻省理工回國的專家未及時到位，暫時由407室主任陸元九兼任。1968年，中國科學(xué)院力學(xué)所懷柔分部18名科技人員調(diào)至406室，在國內(nèi)首次開展衛(wèi)星冷氣推進技術(shù)的研究。

同年，自動化所正式劃歸第五研究院，之后又被授予第502所番號。1969年9月，502所改編成連隊建制，406室改編成三連五班、六班，負責(zé)衛(wèi)星控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的研制，由齊汝先擔(dān)任三連指導(dǎo)員兼主任主持工作。其中，五班主要從事冷氣推進系統(tǒng)的研制，六班主要負責(zé)東方紅二號單組元推進系統(tǒng)的工作。

當(dāng)時美蘇對我國的空間推進系統(tǒng)研制技術(shù)全面封鎖，老一輩航天人自力更生，立志一定要獨立研制出我國自己的衛(wèi)星推進系統(tǒng)。帶著這股勁頭，通過30多年自強不息的艱苦奮斗，我國實現(xiàn)了衛(wèi)星冷氣推進系統(tǒng)、單組元推進系統(tǒng)、雙組元推進系統(tǒng)三重技術(shù)突破，奠定了如今我們航天大國的堅實基礎(chǔ)。

冷氣推進系統(tǒng)雖然比沖較低，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、姿態(tài)控制精確，因此，首先在技術(shù)上得到了突破。

1975年7月，冷氣推進系統(tǒng)首次應(yīng)用于我國技術(shù)試驗衛(wèi)星。這是我國第一顆使用推進系統(tǒng)的衛(wèi)星，是衛(wèi)星推進系統(tǒng)應(yīng)用的重大突破。在后續(xù)型號的應(yīng)用過程中，冷氣噴氣推進系統(tǒng)逐步得到改進，產(chǎn)品可靠性不斷提高，廣泛應(yīng)用于返回式遙感、科學(xué)試驗衛(wèi)星上，均工作正常并圓滿完成飛行任務(wù)。

在航天技術(shù)飛速發(fā)展的今天，冷氣推進系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單、高可靠、高分辨率、精度高在一些航天器上仍有著廣泛應(yīng)用。2018年6月，我國第一顆采用固體冷氣推進系統(tǒng)在微納光學(xué)衛(wèi)星上得到首飛應(yīng)用，完成在軌飛行控制。

單組元推進系統(tǒng)的比沖遠高于冷氣系統(tǒng)，且系統(tǒng)的可靠性高、壽命長、成本低，較冷氣推進系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)勢。隨著1981年9月實踐二號衛(wèi)星的成功發(fā)射，我國成功突破了單組元推進系統(tǒng)技術(shù)。

▲綠色無毒推進系統(tǒng)

此后，單組元推進系統(tǒng)在我國東方紅二號、東方紅二號甲、風(fēng)云系列、遙感系列等衛(wèi)星上得到了廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)以高可靠性著稱，是目前我國應(yīng)用最多的衛(wèi)星推進系統(tǒng)……

航天器系統(tǒng)一直有1克質(zhì)量貴過10克黃金的比喻，追求高比沖一直是航天推進人追求的目標(biāo)。1994年，設(shè)計壽命8年的東方紅三號衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著我國衛(wèi)星推進技術(shù)又一次實現(xiàn)了巨大飛躍，雙組元推進系統(tǒng)得到了正式應(yīng)用。

雙組元推進系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、系統(tǒng)復(fù)雜、研制難度大的特點，比沖較單組元系統(tǒng)高。該推進系統(tǒng)的成功應(yīng)用標(biāo)志著我國衛(wèi)星推進系統(tǒng)的研制能力達到了國際先進水平，此后雙組元推進系統(tǒng)以高性能優(yōu)勢在我國衛(wèi)星領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

百花齊放

在新的應(yīng)用背景下，各種推進系統(tǒng)由于其自身特點得到了廣泛應(yīng)用。

2000年以后，單組元推進系統(tǒng)首次應(yīng)用于我國發(fā)射的第一顆小衛(wèi)星海洋一號，開啟了推進系統(tǒng)的小衛(wèi)星應(yīng)用時代。

2007年10月，嫦娥一號衛(wèi)星發(fā)射成功，雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng)首次應(yīng)用于深空探測領(lǐng)域，推進系統(tǒng)成功完成軌道轉(zhuǎn)移、調(diào)整和近月制動，實現(xiàn)了中國航天的新跨越。

2018年12月8日，發(fā)射成功的“嫦娥四號”就是采用的從十幾牛到幾千牛不同推力量級的雙元發(fā)動機分別進行姿態(tài)控制、軌道控制及降落月球時的速度控制。

冷氣推進系統(tǒng)也由于其高精度，將應(yīng)用在天琴計劃、重力場測量衛(wèi)星等有著無拖曳要求的航天器上。此外，推進系統(tǒng)的研制隨航天器開始向民用化、國際化以及深空應(yīng)用方向發(fā)展。

新的征程

近年來，我國不僅研發(fā)了傳統(tǒng)化學(xué)推進技術(shù)的新應(yīng)用，同時電推進技術(shù)蓬勃發(fā)展，碩果連連，更在一系列的新型推進技術(shù)上取得了新突破，包括無毒推進、在軌加注等等。2019年預(yù)備發(fā)射的“寧夏一號”也將采用1N ADN無毒推力器。

電推進系統(tǒng)比沖可達到普通化學(xué)推進的十倍到數(shù)十倍，使得航天器對推進劑的需求量大大減少，有著極大的優(yōu)勢。

2012年10月，電推進系統(tǒng)首次在實踐九號A星上進行了飛行驗證，在軌運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了我國電推進技術(shù)的重大突破。

2016年11月，1.5kW級磁聚焦霍爾電推進系統(tǒng)在實踐十七號衛(wèi)星上完成了在軌飛行驗證，這也是世界上第一套完成在軌飛行驗證工作的磁聚焦霍爾電推進系統(tǒng)，標(biāo)志著我國具備了自主研制第二代更高性能霍爾電推進系統(tǒng)的能力，將為我國后續(xù)新型衛(wèi)星平臺提供更高性能的電推進系統(tǒng)，大幅提升我國衛(wèi)星總體技術(shù)的競爭力。

隨著電推進技術(shù)的成熟，未來兩年，離子電推進系統(tǒng)、霍爾電推進系統(tǒng)、電弧電推進系統(tǒng)將在以“鴻雁星座”為代表的大型星座上使用。

同時，“實踐十七號”還搭載了我國首套無毒推進系統(tǒng)，其在軌驗證圓滿成功，樹立了我國衛(wèi)星推進技術(shù)發(fā)展的又一重大里程碑，我國成為世界上第二個深入掌握無毒推進技術(shù)在軌應(yīng)用的國家。

縱觀空間推進系統(tǒng)五十余年的發(fā)展歷程，經(jīng)過幾代空間推進系統(tǒng)研制人員的不懈努力，克服重重困難，打破封鎖、自力更生、從無到有，實現(xiàn)了從冷氣推進到空間核推進技術(shù)的臺階式發(fā)展。未來，我國的空間任務(wù)的需求在不斷增加，我國的空間推進技術(shù)也將不斷向前發(fā)展，不斷地研究新型推進系統(tǒng)，如微推進、核推進、激光推進、電帆推進等，相信不久的將來，我國的空間推進系統(tǒng)技術(shù)將會百花齊放，推動我國的航天事業(yè)更上一層樓。