“天和”核心艙霍爾推進器中的心臟_風聞

前不久，長征五號B運載火箭搭載中國空間站“天和”核心艙在海南文昌航天發射場順利發射升空，任務取得了圓滿成功。“天和”核心艙推進系統除了配備4台軌控發動機、22台姿控發動機這些在航天技術中的常規動力以外，還首次配置了四台霍爾電推進發動機。而電推進系統中的霍爾推力器腔體採用了由中國科學院金屬研究所研製的氮化硼陶瓷基複合材料。

為什麼用電推進？

“天和”號核心艙使用了國內最先進的電推進技術，採用電推進技術，不僅大幅度地提高了燃料使用效率，而且降低了空間站的維護管理成本。空間站在圍繞地球運轉的過程中，會因為微重力和近地空間的稀薄大氣阻力，造成軌道高度下降。以國際空間站為例，軌道衰減大約為每月2千米。為了保持軌道高度，每年國際空間站消耗的燃料高達4噸，如果要變軌（改變傾角）或者遭遇太陽活動高峯年，則更多一些，這些燃料都是貨運飛船一點點送上去的。而向太空運送一公斤物資的成本在十萬元人民幣量級，並且頻繁的貨運任務也將造成高風險。由於太空中的重力和阻力很小，實際上僅僅需要很小的推力就可以做到軌道保持。霍爾電推進系統，以其比衝高、壽命長、控制精度高（推力小）等特性，可以“細水長流”地發揮作用，輔助空間站抵抗軌道衰減，使其維持在原定軌道上正常運轉。更重要的是，霍爾電推進系統可有效節省核心艙自帶推進劑的消耗，要比常規動力燃料消耗低一個數量級。

紅框裏是兩個霍爾推力器，背面還有兩個（圖片來源：中新網）

神奇的“心臟”材料

電推進系統一般分為三個部分：電源處理單元、推進劑工質貯存與供應單元、推力器。霍爾電推進發動機，顧名思義，是以霍爾推力器命名的發動機。霍爾推力器又稱霍爾效應推力器（Hall effect thruster），是離子推力器的一種。在推力器中，推進劑被電場加速，霍爾推力器將電子約束在磁場中，並利用電子電離推進劑，加速離子產生推力，並中和羽流中的離子。

霍爾推力器（圖片來自網絡）

氮化硼陶瓷基複合材料腔體（圖片來源：金屬所和801所）

HET-80點火照片（圖片來源：北航JLPP和801所）

在霍爾推力器中，等離子體的電離、加速均在由氮化硼陶瓷基複合材料做成的放電腔中完成，因此放電腔可以比喻成霍爾推力器的“心臟”。推力器工作時，腔體快速升温，這就要求腔體材料必須滿足耐高温、抗熱震、耐離子濺射、絕緣性能好等要求，腔體材料的性能是影響推力器壽命的決定性因素。中科院金屬所瀋陽材料科學國家研究中心可加工陶瓷研究團隊，研製出具備低密度、高強度、抗熱震、耐濺射、易加工、絕緣性能好等優點的氮化硼陶瓷基複合材料，滿足了推力器對陶瓷腔體材料的高要求。此外，霍爾推力器中還有多種部件也採用了該陶瓷材料作為高電壓與低電壓之間的絕緣介質。

“心臟”材料的誕生

六方氮化硼（h-BN）具有類似於石墨的層狀結構，層內B原子和N原子以強的共價鍵結合，而原子層間則以弱的範德華力結合。這種獨特的晶體結構和雜鍵特性賦予了h-BN獨特的性能，如低密度、高熱導、電絕緣、優良的介電性能、抗熱震和良好的可加工性能等，這些特性都是作為霍爾推力器腔體所需要的。然而，這種獨特的層狀結構也導致h-BN燒結困難、緻密度低和強度低等缺點，在推力器的地面試驗中往往出現由於強度低而導致的腔體斷裂、緻密度低造成的吸潮和腔體放電狀態不穩定、以及抗離子濺射能力差等問題。

金屬所在上世紀八十年代的“七五”期間即通過水平連鑄分離環的研製積累了熱壓六方氮化硼的經驗。2008年，為滿足霍爾推力器腔體材料的需求，在國家自然科學基金和國家專項的支持下，研究人員深入研究了六方氮化硼陶瓷的強化方法和強化機理。2012年，由金屬所研製的氮化硼陶瓷基複合材料作為霍爾推力器腔體，成功應用在衞星上，圓滿完成我國首次電推進在軌飛行演示驗證任務，使我國繼俄、美、歐之後第四個獨立掌握了霍爾電推進技術。至今，已取得相關國家發明專利授權6項。多年未出現質量問題，得到用户認可和高度評價。

此次為進一步滿足空間站“天和”核心艙對電推進系統的需求，研究人員在大尺寸材料製備、材料均質化和質量穩定性控制等方面開展了大量工作。為了保證 “天和”核心艙15年的在軌壽命，推力器腔體完成了 8240小時全壽命地面試驗任務，在壽命內腔體的各項性能指標均能達到要求，確保了霍爾推力器在軌壽命符合預期。

來源：中國科學院金屬研究所