天宫太空站电推进发动机首次实现在轨「换气」

即时／天宫太空站电推进发动机首次实现在轨「换气」。（中国航太科技集团）

大陆微信公众号「中国航太科技集团六院」消息，近日，在天地协同配合下，天宫太空站电推进系统大气瓶19日完成在轨安装任务，航太科技集团六院801所首次采用「换气」而不是「补气」方式完成电推进推进剂——氙气的补充。加装了大气瓶的太空站电推进系统，其使用寿命将大大延长，对太空站长期轨道维持和安全平稳飞行起到重要作用。

电推进系统，也称电推进发动机，工作原理是先将氙气等惰性气体转化为带电离子，然后把这些离子加速并喷出以产生推进力，进而完成航天器的姿态控制、轨道修正和轨道维持等任务。

在天宫太空站上的使用，是电推进系统在载人航太领域的首秀——要满足太空站长寿命、可靠性的既定目标，设计人员必须解决在轨补充电推进推进剂的问题。负责抓总太空站电推进系统研制任务的801所设计团队，首次尝试运用在轨「换气」方式补加。

据801所介绍，2021年天和核心舱发射时就自带两个小气瓶，但限于舱内太空，「原装」气瓶的体积并不大，仅供短期使用。此次上天的大气瓶正是他们按计划提供的强有力「外挂」，由于安装在舱外太空限制小，容量翻了好几番，携带的推进剂能支持电推力器更长时间的轨道维持工作。

为了实现储气模组的在轨安装，801所电推进系统设计团队调研了国内外常用电、气、机械对接锁定形式，创造性地提出了一种简化版的浮动对接形式，通过粗定位导向装置实现机械臂初始定位及大偏差适应，再通过自主精定位进一步修正电、气、机械的对中锁紧，这种步步为营的方式极大提高了对接的容差能力和可靠性，即便在轨多次拆装也能保证精度满足要求。

与此同时，由于气瓶「外挂」时都是安装于统一的介面，原则上只要符合介面要求，太空站电推进系统可以安装不同容积、不同工作压力的气瓶，且气瓶填充的工质不限于已有系统的氙气工质，可根据技术发展情况上行不同工质推进剂。

支持反复拆装使用、适配多种气瓶型号……就像搭积木一样，不管怎么拆装，只要保证介面一致，装好装牢合适的元件，便拥有了无限可能。801所的精巧设计，赋予了贮气模组「百搭」、百变的特性，不仅极大增加了电推进系统的寿命和可靠性，也丰富了系统的功能。

太空人在舱内组装好大气瓶，完成自检及测试后通过自动出舱装置送至舱外，随即由舱外机械臂抓取并将其转移、对接到核心舱电推进系统大气瓶安装位，这是本次太空站电推进系统大气瓶在轨安装的过程，也是此后在轨更换气瓶的基本流程——正常情况下，当贮气模组组合体推进剂耗尽后，都将由机械臂自动进行在轨更换。

但由于太空环境不可控因素较多，为了保证储气模组的顺利更换，801所电推进系统设计团队还提出了「Plan B」——即太空人手动更换气瓶。为了「相容」自动和手动这两种模式，团队从2017年开始便进行了大量设计及验证工作。

研制过程中，设计人员充分考虑了太空人在轨操作的局限性、安全性和可操作性，并按照太空人工效学回馈不断改进方案，完善精密的尺寸链设计；根据可靠对接、可靠锁定、电路绝缘、气路密封等要求，形成精细化装配规范；产品交付前，也进行了充分的地面精测验证，甚至模拟在轨环境反复拆装气瓶十次……重重保障环环相扣，确认不同操作模式下偏差均在可控范围内。

「外挂」性能强悍、拆装元件「百搭」、操作模式「相容」，801所用「换气」代替「补气」，实现了电推进推进剂替换简单、高效、可靠的目标。而此次大气瓶成功在轨安装，除了大大延长了太空站电推进系统的寿命、保障太空站长期在轨运行外，也为后续大气瓶的拆卸安装以及霍尔推力器的在轨更换提供宝贵经验。