太空黑科技——微型射频离子发动机首次飞行验证!

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  2019831日,中国科学院在中国酒泉卫星发射中心发射了一颗名为“太极一号”的卫星,这是中国首颗空间引力波探测技术实验卫星,主要任务是实现关键技术的验证实现空间引力波探测打下基础。

  备受诺奖青睐,要发现它却很难

  一个世纪前爱因斯坦基于广义相对论就预言了引力波的存在。然而直到2015年,美国激光干涉引力波天文台LIGO在地面探测到了引力波信号三位美国科学家Rainer WeissBarry C. Barish Kip S. Thorne也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。

  不仅如此,国际上普遍认为如果有人能在空间探测到引力波,获得更多频段的引力波信号,同样能获得诺贝尔级奖章。

  发现它就能拿诺奖,探测引力波为什么这么难?

  引力波是物质和能量剧烈运动和变化引发的时空涟漪,它在传播过程中挤压或者拉伸时空,就像水面泛起的涟漪一般,以光速向外传播。

  太空中引力波信号十分微弱,目前最好的方法就是利用光学手段,通过探测两个相距上百万公里的自由漂浮物体之间的距离变化捕获引力波。

  说起来简单,但这一技术的实现难度超乎人们想象,堪称挑战人类目前所掌握的技术极限

  早在2008年,由中科院发起,院内外多家单位参与,以中国科学院力学研究所胡文瑞院士为召集人成立空间引力波探测论证组,开始规划我国空间引力波探测在未来数十年内的发展路线图。2016年,中科院启动了空间引力波探测计划——太极计划。2018年,中科院“太极计划”先行者——“太极一号”任务立项,太极计划成员自此进入紧张的型号任务研制阶段。

  考虑到引力波探测的难度,太极计划分多步进行。“太极一号”任务是第一步,主要是在轨验证空间引力波探测的关键技术,包括高精度超稳激光干涉仪、引力参考惯性传感器、超稳超静平台、无拖曳控制和微牛级推进系统。其中的每一项技术都十分复杂,而且非常重要。

  众所周知,火箭的发射、宇宙飞船和卫星在太空中的运行都离不开发动机(发动机即推力器)在太空中,光压、宇宙射线辐射等作用在航天器上的微牛级非保守力都会影响卫星的超稳状态,此需要开发微牛级推进系统以抵消非保守力对卫星平台的影响。射频离子发动机,就是其中之一,同时,它也是世界上最先进的卫星发动机之一。

  

  图1 航天器“新武器”——射频离子发动机工作原理

  图片来源中国科学院力学研究所

  航天推进系统中的“新武器”

  射频离子发动机,顾名思义,是靠吸收射频能量(也就是频率为300 kHz – 300 GHz的交流电)来维持其等离子体自持放电并产生推力的装置。

  “等离子体”是我们所熟知的自然界物质的第四物态(气态、固态、液态和等离子体态),在生活中随处可见,如荧光灯、霓虹灯、氙灯和闪电等。简单来说就是电离了的“气体”,由离子、电子以及未电离的中性粒子组成,整体呈电中性,但具有导电特性。

  而射频离子发动机就是将等离子体中带正电荷的离子通过高压电场引出并加速,以几十公里每秒的速度喷射出去。由牛顿第三定律可知,高速喷射的离子将产生反向推力,从而推动卫星前进。

  当发动机喷射离子时,还需要一个能够喷射电子的装置(中和器)用以中和喷射出去的离子,否则会使航天器带电,危及航天器的安全。

  人员虽少,依然砥砺前行

  中国科学院力学研究所微型离子发动机产品研发团队历经五年的时间,对射频离子发动机系统的工作原理进行了深入的研究,从最初的射频电路阻抗匹配、射频感应耦合放电,到最终射频离子发动机可以稳定工作,部件的每一个细节都经过仔细推敲。

  2015团队研发的第一套射频离子发动机——RIT-4点火成功,之后,团队根据不同的推力范围需求,开展了射频离子发动机系列样机的研发,分别研制了RIT-2RIT-2.5RIT-5

  研发团队凭借多年对射频离子发动机的研究基础和宝贵的航天工程经验,在20188月承担了“太极一号”卫星射频离子微推进系统的研制重任,限时一年。

  常规航天任务一般是三到五年,甚至更长,一年的时间要将尚不成熟的原理样机直接做到满足航天标准的飞行样机,这对人员有限的研发团队而言是一项非常艰巨的任务。但为了中国航天事业的发展,空间引力波探测国家重大专项的顺利实施,中国科学院力学研究所微重力重点实验室康琦主任毅然决然接下了这项几乎不可能完成的任务。

  团队协作,厚积薄发

  对于整个射频离子发动机系统而言,除了射频离子发动机头部以外,实际还需要一系列的配套“装配”,包括:电子学单机中国科学院国家空间科学中心研制)、场发射中和器清华大学研制、微流量控制单机507所和深圳市绿航星际太空科技研究院研制。五家单位团队协作,在研发前期,各自根据设计指标要求专攻技术难点,以最快的速度完成方案可行性验证。

  中科院力学所研发团队根据已有的研究基础,在20193月率先完成了微型射频离子发动机(μRIT-1飞行产品的研制,并顺利通过了空间环境模拟试验

  

  图2 工作状态的微型射频离子发动机

  图片来源中国科学院力学研究所

  发动机样机研制出来后,它的推力到底是多,计算出来的推力是否准确,这些都是亟需验证的问题,航天工程任务是要靠精确的实验数据来说话的。因此,研发团队在射频离子微推进系统产品紧张研制的同时,紧急筹备发动机后续性能测试方案,自主设计了一套亚微牛级推力测量设备,实现了推力器快、稳、准的安装与调试,极大限度地缩短了射频离子发动机性能测试周期。

  

  图3 射频离子微推力器在线测量

  图片来源中国科学院力学研究所

  电子学单机是射频离子发动机系统的核心之一,整个推进系统的供电、控制以及数据存储均要依靠它来完成。中国科学院国家空间科学中心先后一共有6名专业人员参与到电子学单机的研制工作。这个项目突破了他们以往的研制速度,经历了无数个通宵达旦的艰苦工作,在最后一刻解决了所有问题,交付了通过地面验证试验的合格产品。

  

  图4 射频离子发动机系统-电子学单机

  图片来源中国科学院国家空间科学中心

  与射频离子微推力器(μRIT-1)配合使用的中和器是清华大学研制的“碳纳米管中和器”。这次合作是清华大学清华-富士康纳米科技中心第一次承担航天任务,更是将碳纳米管场发射技术第一次应用在航天领域中。五位清华大学的老师在没有航天任务经验的情况下,一步一步摸索着前进,从最基本的材料选取、结构设计、加工工艺到最终的测试方案,他们夜以继日发现问题和解决问题,最终按时交付了他们的“首创”。

  最后一个就是射频离子发动机系统必不可少的气体控制器——微流量控制单机。之所以称为“微流量控制单元”,是因微型离子发动机工作时所需的工质气体非常少,0.08 mL的气体可以使推力器工作1分钟以上,相当于一个人深呼吸吹出的气体量(约3500 mL)可使推力器连续工作约一个月。

  深圳市绿航星际太空科技研究院四名专业技术人员同样是从未研制过气体流量这么小且精度要求非常高的微流量控制器。为了保证发动机能够正常稳定工作,技术人员从方案设计、加工工艺到气路封装,一路披荆斩棘,在团队协作下,解决了系列技术问题。微流量控制单元是除发动机外,第一个交付的产品。

  

  图5 飞行产品交付卫星系统进行装配调试

  图片来源新闻联播

  研发团队在不到十个月的时间里,夜以继日、过五关斩六将,终将合格的射频离子发动机产品按时交付给卫星系统。

  目前,射频离子微推进系统在轨工作正常,并顺利完成功能和性能测试,任务取得圆满成功这也是国际首次在轨验证微型射频离子发动机技术!

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