中國(guó)科學(xué)院官方賬號(hào)~1小時(shí)前
前不久，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭搭載中國(guó)空間站“天和”核心艙在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)順利發(fā)射升空，任務(wù)取得了圓滿成功?！疤旌汀焙诵呐撏七M(jìn)系統(tǒng)除了配備4臺(tái)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)、22臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)這些在航天技術(shù)中的常規(guī)動(dòng)力以外，還首次配置了四臺(tái)霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。而電推進(jìn)系統(tǒng)中的霍爾推力器腔體采用了由中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料。
為什么用電推進(jìn)？
“天和”號(hào)核心艙使用了國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的電推進(jìn)技術(shù)，采用電推進(jìn)技術(shù)，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(hù)管理成本?？臻g站在圍繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槲⒅亓徒乜臻g的稀薄大氣阻力，造成軌道高度下降。以國(guó)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(guó)際空間站消耗的燃料高達(dá)4噸，如果要變軌（改變傾角）或者遭遇太陽(yáng)活動(dòng)高峰年，則更多一些，這些燃料都是貨運(yùn)飛船一點(diǎn)點(diǎn)送上去的。而向太空運(yùn)送一公斤物資的成本在十萬(wàn)元人民幣量級(jí)，并且頻繁的貨運(yùn)任務(wù)也將造成高風(fēng)險(xiǎn)。由于太空中的重力和阻力很小，實(shí)際上僅僅需要很小的推力就可以做到軌道保持?；魻栯娡七M(jìn)系統(tǒng)，以其比沖高、壽命長(zhǎng)、控制精度高（推力小）等特性，可以“細(xì)水長(zhǎng)流”地發(fā)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(yùn)轉(zhuǎn)。更重要的是，霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)可有效節(jié)省核心艙自帶推進(jìn)劑的消耗，要比常規(guī)動(dòng)力燃料消耗低一個(gè)數(shù)量級(jí)。
神奇的“心臟”材料
電推進(jìn)系統(tǒng)一般分為三個(gè)部分：電源處理單元、推進(jìn)劑工質(zhì)貯存與供應(yīng)單元、推力器?；魻栯娡七M(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，顧名思義，是以霍爾推力器命名的發(fā)動(dòng)機(jī)?；魻柾屏ζ饔址Q霍爾效應(yīng)推力器（Hall effect thruster），是離子推力器的一種。在推力器中，推進(jìn)劑被電場(chǎng)加速，霍爾推力器將電子約束在磁場(chǎng)中，并利用電子電離推進(jìn)劑，加速離子產(chǎn)生推力，并中和羽流中的離子。
霍爾推力器（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
氮化硼陶瓷基復(fù)合材料腔體（圖片來(lái)源：金屬所和801所）
HET-80點(diǎn)火照片（圖片來(lái)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復(fù)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(shí)，腔體快速升溫，這就要求腔體材料必須滿足耐高溫、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。中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心可加工陶瓷研究團(tuán)隊(duì)，研制出具備低密度、高強(qiáng)度、抗熱震、耐濺射、易加工、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料，滿足了推力器對(duì)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采用了該陶瓷材料作為高電壓與低電壓之間的絕緣介質(zhì)。
“心臟”材料的誕生
六方氮化硼（h-BN）具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)B原子和N原子以強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，而原子層間則以弱的范德華力結(jié)合。這種獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和雜鍵特性賦予了h-BN獨(dú)特的性能，如低密度、高熱導(dǎo)、電絕緣、優(yōu)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(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致h-BN燒結(jié)困難、致密度低和強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，在推力器的地面試驗(yàn)中往往出現(xiàn)由于強(qiáng)度低而導(dǎo)致的腔體斷裂、致密度低造成的吸潮和腔體放電狀態(tài)不穩(wěn)定、以及抗離子濺射能力差等問(wèn)題。
金屬所在上世紀(jì)八十年代的“七五”期間即通過(guò)水平連鑄分離環(huán)的研制積累了熱壓六方氮化硼的經(jīng)驗(yàn)。2008年，為滿足霍爾推力器腔體材料的需求，在國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家專項(xiàng)的支持下，研究人員深入研究了六方氮化硼陶瓷的強(qiáng)化方法和強(qiáng)化機(jī)理。2012年，由金屬所研制的氮化硼陶瓷基復(fù)合材料作為霍爾推力器腔體，成功應(yīng)用在衛(wèi)星上，圓滿完成我國(guó)首次電推進(jìn)在軌飛行演示驗(yàn)證任務(wù)，使我國(guó)繼俄、美、歐之后第四個(gè)獨(dú)立掌握了霍爾電推進(jìn)技術(shù)。至今，已取得相關(guān)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)6項(xiàng)。多年未出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，得到用戶認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)。
此次為進(jìn)一步滿足空間站“天和”核心艙對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的需求，研究人員在大尺寸材料制備、材料均質(zhì)化和質(zhì)量穩(wěn)定性控制等方面開(kāi)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(shí)全壽命地面試驗(yàn)任務(wù)，在壽命內(nèi)腔體的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)到要求，確保了霍爾推力器在軌壽命符合預(yù)期。
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院金屬研究所
聯(lián)系客服
