空间站电推进发动机首次实现在轨“换气”

近日，在天地协同配合下，“天宫”空间站电推进系统大气瓶完成在轨安装任务，航天科技集团六院801所首次采用“换气”而不是“补气”的方式完成电推进推进剂——氙气的补充。加装了大气瓶的空间站电推进系统，其使用寿命将大大延长，对空间站长期轨道维持和安全平稳飞行起到重要作用。

自带升级“外挂”

电推进系统，也称电推进发动机，其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。

(资料图片)

在“天宫”空间站上的使用，是电推进系统在载人航天领域的首秀——要满足空间站长寿命、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。负责抓总空间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”的方式进行补加。

据801所介绍，2021年“天和”核心舱发射的时候就自带了两个小气瓶，但限于舱内空间，“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”，由于安装在舱外空间限制小，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。

设计实现“百搭”

为了实现贮气模块的在轨安装，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接口，原则上只要符合接口要求，空间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，只要保证接口一致，装好装牢合适的组件，便拥有了无限可能。801所的精巧设计，赋予了贮气模块“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。

操作可以“兼容”

航天员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，这是本次空间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，当贮气模块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，为了保证贮气模块的顺利更换，801所电推进系统设计团队还提出了“Plan B”——即航天员手动更换气瓶。为了“兼容”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航天员在轨操作的局限性、安全性和可操作性，并按照航天员工效学反馈不断改进方案，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、拆装组件“百搭”、操作模式“兼容”，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，除了大大延长了空间站电推进系统的寿命、保障空间站长期在轨运行外，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了宝贵经验。

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