電推進氙氣加注技術助力深空探測

　　 502所的科研人員設計出了精密的溫度控制系統，通過對氙氣源溫度、加注設備溫度的嚴格控制，保證了加注過程中氙氣溫度滿足要求。

　　當火星探測器“好奇”號在火星著陸時，有多少國人也殷切地希望有一天我國也能完成深空探測的創舉。

　　去年年底，中國航天科技集團第五研究院502所（以下簡稱502所）一項對外公布的科研成果，讓中國也有望躋身世界擁有深空探測技術的國家之列。

　　這，就是高純度氙氣加注技術。

　　電推進系統的常用工質

　　從上世紀60年代，美國和蘇聯就開始了電推進技術的相關研究，并于上世紀80年代完成了電推力器工程樣機的研制及飛行實驗。到上世紀90年代末，電推力器開始在衛星上廣泛應用。如今，電推進技術越來越成熟，向更高性能方向發展。

　　目前，國際上廣泛采用的電推進技術主要有兩種。一種是離子發動機技術，其比沖約為3000~4100s；另一種是霍爾發動機技術，其比沖約為1500~1600s。在電推進系統中，需要一種能將電能和機械能相互轉化的媒介物質，學名為工質。氙氣則是公認的工質。

　　在日常生活中，人們對于氙氣的認識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，不過這僅僅是對氙氣較為淺顯的認識。鮮為人知的是，在航天領域，“離子電推進與傳統的化學推進相比，比沖要大10倍。”中國空間技術研究院502所研究員武蔥蘢告訴《中國科學報》記者。

　　在宇航推進中，表征其性能優劣的主要指標就是推進技術的比沖，也就是消耗單位質量推進劑所能產生的沖量大小。比沖越大，推進技術性能越高。“對于同樣的宇航任務，電推進攜帶的推進劑約為化學推進的十分之一，甚至更少。這樣對于深空探測任務來說，電推進比化學推進更具優勢。”武蔥蘢進一步解釋說。

　　雖然在世界其他航天科技大國，氙氣的使用已經不是新聞，但在國內還是空白。世界各國對于氙氣一些特性的應用更是嚴格保密，因為高純度氙氣對宇航領域來說是一種戰略資源。“當我們開始電推進研究時，因為國內氙氣純度較低轉而從國外購買時，還受到了國外的限制。”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據，那么關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所成功繪制出了國內首張氙氣物理特性圖譜，獲得了氙氣在不同狀態下溫度、壓力、密度的變化規律。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系統。他們根據電推進系統工況要求設計了試驗方案，開展了氙氣物理特性測量試驗。

　　氙氣物理特性圖譜的成功繪制，為電推進系統工程應用奠定了堅實的基礎。但這并沒有減少之后工作的困難，502所馬上面對的就是最難的部分——如何將氙氣成功加注到衛星上。

　　從地面到衛星，502所邁過了無數困難。

　　打響加注氙氣攻堅戰

　　在眾多困難中，有三個是最棘手的。首當其沖的就是如何保證氙氣的純度，不論是購買的氙氣源純度還是加注過程中的氙氣純度都需要保證。“衛星推進系統中氙氣濃度要求最低也要達到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。一旦超過這個限值，容易造成電推力器陰極氧化，導致其壽命受損。在保證氙氣源純度的同時，還要保證加注前衛星電推進系統、地面加注系統的純度滿足要求。為此，502所的科研人員經過大量的仿真分析和試驗摸索，得到了具有針對性的系統純度保證技術，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，因為在空氣中氙氣的含量是1/10-8，所以氙氣往往從鋼廠大型空分設備中提取獲得。但在調查了首鋼、邯鋼和武鋼后，502所的科研人員發現這些制備的氙氣純度都達不到宇航級要求。

　　在國內氙氣供給不足，國外進口宇航級氙氣受阻的情況下，502所的科研人員從國外進口少量的高純度氙氣，一邊打報告給上級要求加強國內制備高純氙氣的能力。“現在已經完成了招標工作，我們也已經開始高純氙氣的制備。”502所高級工程師宋飛告訴記者。

　　而在氙氣并不充足的日子里，科研人員自己創造了實驗室內部的提純氙氣的方法。他們利用氙氣超臨界點偏高的特性，將溫度降低到十幾攝氏度時，其他氣體沒有變化，但是氙氣則呈現液態的特點，這樣再進行抽真空，將這個溫度下氦氣、氪氣等惰性氣體抽出，反復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下將氙氣源落壓填充到衛星中，但當氙氣源和衛星壓力平衡后，我們就需要想辦法將氙氣源增壓。”宋飛介紹道。

　　這個看似簡單的過程對于氙氣加注工作來說卻是另一個難題。首先，氙氣的物理特性非常特殊，在加注過程中要避免固態氙的出現；其次，要保證整個加注過程中氙氣的純度；第三，如果使用傳統的增壓泵機械加注方式，氙氣會將機械做功產生的動能轉化為熱能，令溫度迅速上升。但是，衛星上氙氣瓶的溫度要求不超過45℃。不僅是溫度會超標，溫度迅速攀升會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星內部的氣壓就超過了設計值。

　　502所的科研人員通過調研發現有的國家在選擇機械加注方式的時候只能加注幾公斤的氙氣，且速度非常慢，但這對于需求量較大的衛星并不適用。

　　那么，如何在加注過程中保證衛星上氙氣瓶的溫度不超過45℃，同時完成規定的加注量，并且保證氙氣的純度是一項挑戰。科研人員開始關注另外一種加注方式，通過“中轉站”來完成加注。

　　“中轉站”是個關鍵的轉換裝置。通過對“中轉站”內部降溫，使其內部氙氣壓力隨之降低，當低于氙氣源的壓力時，在壓差的作用下，氙氣源中的氙氣會流入“中轉站”。之后，通過“中轉站”內部的加熱系統，讓流入內部的氙氣升溫，氙氣的壓力隨之升高。當壓力高于衛星上的氙氣瓶時，同樣利用壓差的原理，讓氙氣從“中轉站”流出，進入衛星上的氣瓶中。因為目前“中轉站”的體積較小，所以需要不斷重復上述過程，才能完成規定的加注量。

　　同時，502所的科研人員設計出了精密的溫度控制系統，通過對氙氣源溫度、加注設備溫度的嚴格控制，保證了加注過程中氙氣溫度滿足要求。

　　原理看似簡單，但是電推進氙氣加注技術的方法與具體設計參數都經過了多次仿真和試驗摸索。不論是純度的保證還是氙氣加注過程的控制，502所的科研人員都進行了大量的試驗，同時也得到了衛星總體單位的高度重視和大力支持。在經過多次“摸爬滾打”之后，終于在去年12月底，502所向相關上級單位展示了這項技術，為我國電推進技術的正式應用提供了強有力的保障。