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环球观察：太空中飞船是如何获得驱动力的？我们的空间站有能力飞到月球吗？

来源：科普中国

今天我们来聊点轻松的话题，太空中的飞船是如何再获得驱动力的？


(资料图片)

还是先来做一个开篇提问：“我们的航天员能否驾驶中国空间站飞到月球去？成为月球轨道空间站？”（文末解答）欢迎大家一起讨论。

火箭燃料

任何的飞船在进入环地球轨道之前，都是先从大气层内，要么从地表，要么从高空中，通过火箭燃料发动机的推力克服地球的引力飞出大气层的。

运载火箭使用什么动力把航天器送上太空的呢？

从物理形态上讲，火箭发动机使用的推进剂有两种形式，一种是液态物质，另一种是固态物质。以液态燃料来说，有煤油、酒精、偏二甲肼、液态氢等作为燃烧剂，而用液态氧、四氧化二氮等等提供的氧化剂帮助燃烧的，人们习惯上把燃烧剂和氧化剂通称为火箭发动机的燃料或推进剂。

肼（N2H4），又称联氨，为无色油状液体，有类似于氨的刺鼻气味，是一种强极性化合物。能很好地混溶于水、醇等极性溶剂中，与卤素、过氧化氢等强氧化剂作用能自燃，长期暴露在空气中或短时间受高温作用会爆炸分解，具有强烈的吸水性。

有毒的还是无毒的？

以火箭燃料为标准，科研领域燃料最好是无毒无污染的，比如早期火箭燃料硝酸-27s+偏二甲肼，也有四氧化二氮+偏二甲肼，但偏二甲肼不仅易燃易爆还有剧毒，不过好处是可以常温存放，因此到现在老的液体火箭或导弹还在采用，卫星商用发射考量成本，都打仗了还用啥环保的？（人类就是这么现实）

红棕色烟雾是偏二甲肼和四氧化二氮的特征

无毒燃料则主要以液氧煤油为主，煤油容易保存，而且火箭用的煤油与航空煤油差别不大，是公认的火箭环保燃料。

比液氧煤油更环保的是液氧液氢，这俩燃烧后就是水，而且还是纯净水，火箭一发射完，直能变成雨的直接落地了，在高空中的，直接变云柱！最环保的无疑就是这种了，但液氢不仅需要低温保存，而且密度只有煤油的10%，液氢的火箭燃料罐体积太庞大，这直接导致低温火箭体积比常温火箭要大得多。

比如我们中国自己研究的登月火箭CZ-9，一级火箭将使用12台YF-130，此前的CZ-9的构型是这样的：

助推器：数量4个，每个助推器为2台高压补燃液氧煤油发动机（YF-130）

芯一级火箭：4台YF-130；高压补燃液氧煤油发动机

二级火箭：2台220吨级高压补燃氢氧发动机（YF-90）；

三级火箭：4台25吨级膨胀循环氢氧发动机（YF-79）；

经过这么一顿猛如虎的操作下来，卫星也好，飞船也罢，都顺利进入环地球轨道了。

490N（牛）轨道控制发动机

这里以我们的“太空重卡”天舟货运飞船来举例，天舟系列货运飞船主要用于对中国空间站在轨运行期间，提供补给支持。天舟货运飞船发射质量约13吨，最大可承运6.9吨上行补给物资，载货比高达5.1。

在整个天舟货运飞船上一共有安装了36台发动机，其中包括4台轨控发动机（位于尾部的4台490N轨道控制发动机）在抬升货运飞船轨道和变轨的过程中，需要靠这4台大功率的发动机来实现。

490N发动机

而飞船上的这种490N发动机，使用的是双组元推进系统。该发动机的推进剂为四氧化二氮(N2O4) 和甲基肼，其真空推力为490N，主要用来进行轨道调整，比如爬高。

氮气推进

早期的卫星，由于推进技术还不成熟，多使用高压冷气推进，而这里的冷气主要是氮气。不仅是卫星，其他航天器比如前苏联的“东方一号”载人飞船、美国的“空间实验室”也用到了冷气推进。冷气推进的优点是安全可靠，无污染，但是推进动力小，性能低下。目前我国有一小部分卫星依然还在使用高压氮气推进方式。

加加林乘坐的东方一号，黑色的圆球就是高压氮气瓶

姿态控制发动机RCS

飞船或卫星上的主发动机，主要作用是干"体力活儿"的，只能在一个方向上提供较高推力，不适合干一些精细活儿。因此当飞行器调整姿态，比如转身，或者交汇对接时，就不能使用主发动机了。这时就需要用一些特殊设备，微调航天器的姿态和速度，也就是RCS系统。

RCS系统喷流

RCS是一些布置在航天器四周，拥有多个喷口的设备，但它们的个头都很小，因此不太引人注意。由于不同喷口的开启能随意控制，从而可以借助不同喷口之间的配合，给航天器改变姿态提供动力，让航天器可以指向任意方向，并在任意方向上加减速。

RCS本身也有细分。由于对接过程是循序渐进的，RCS也有大小两种推力设计。当姿态改变较大时就用大推力，反之就用小推力。

以神舟飞船为例，粗略姿控系统有150N的推力，精确姿控系统只有5N。而且粗略控制喷口只有8个，精确控制喷口有16个之多，更精细。

天舟货运飞船的姿态控制发动机

中国空间站“天和”核心舱，带有4台轨道控制发动机，也就是主发动机，还有22台姿态控制发动机（RCS），另外还有4台霍尔电推力发动机，作为辅助。总共30台发动机，可以精确控制几十吨重的大家伙在太空中调整姿态、改变轨道。

喷出的是啥？

卫星和航天器上是“寸土寸金”轨道控制火箭需要较大推力那没办法，使用2套系统的混合燃料也必须用，但姿态控制RCS作为迷你火箭，必须把结构和可靠性都做到极致。一点多余的空间和重量都不能浪费，所以用一种燃料一套系统能做到的绝不会用两套。

有些液体，平常相对稳定，但在催化剂的作用下会迅速分解，产生热量和气体。比如过氧化氢，在铂催化剂的作用下可以迅速分解成水蒸气和氧气。因此只需要使用一种燃料就能满足需求，它就是第一代RCS燃料。

但是过氧化氢燃料推力比冲低，携带重量大，所以也不是很理想。后来出现了联氨推进剂。

比如我国的神舟系列，使用的单组元推进剂是【肼】，也叫联氨，相比过氧化氢，比冲更高，能长期储存。但这种物质需要特殊的催化剂，想研制高效催化剂，那可是一个庞大的课题。

催化床

还有一种ADN推进剂，是20世纪70年代由前苏联合成出的一种高能量密度的材料，是能量密度高，不含卤素的白色结晶物。ADN推进剂由61%的ADN剂料和26%的水和13%的甘油混合而成。

再后来,在美国NASA执行的一项“先进的单元推进剂计划”中,因羟基推进剂具有冰点低、密度比冲高、安全无毒的特点,且在常压下不敏感,存贮安全,无着火与爆炸的危险,可减少运输和贮存的安全性管理要求,因而被NASA作为新一代的无毒单元推进剂进行研究与试验。

硝酸羟铵本身为固态、富氧的推进剂,其分子式为NH3OH·NO3。它和燃料可一起溶解在水中,形成比较稳定的混和物——羟基推进剂,不产生有毒蒸汽,也无致癌危险。

技术在不断升级进步，比如我们新的载人返回舱，使用的RCS姿态控制发动机。使用的就是HAN基无毒无污染推进剂，维护性更佳，进一步利好重复使用。

返回舱的RCS姿态控制发动机

RCS姿态控制发动机

RCS姿态控制发动机喷口尺寸

电推进系统

电推进火箭发动机是利用电能加速工作介质，形成高速射流而产生推力的火箭发动机。与化学火箭发动机不同，电火箭发动机的能源和工质是分开的：其电能由飞行器提供，一般由太阳能、核能或化学能经转换装置得到；其工质常采用氢、氮、氩或碱金属(铯、汞、铷、锂等)的蒸气。电火箭发动机的比冲极高、寿命极长。

霍尔电推

电火箭发动机加速方式可分为三种类型——电热火箭发动机、静电火箭发动机、电磁火箭发动机。(其中静电火箭发动机常被称作"离子发动机"，是近些年各国航天学家的重点研究对象)

最核心的离子推进器，其原理是先将气体电离，后用电场力将带电的离子加速后喷出，继而产生推力。而肼增强推力器就是单组元肼发动机中分解出高温氮气、氢气等气体后，这些气体再次通过电阻加热器加热，进一步提高燃气的温度。电弧推力器则是通过电弧加热气体，气体受热膨胀高速喷出从而产生推力。

推力太小仍需努力

而离子推力器不需要携带推进剂，因此，可以大幅降低卫星重量，并延长在轨时间。当然，它同时也要付出代价。例如，若使用化学发动机，那么卫星从发射到定点就位只要一周或两周时间，但使用全电推进的话，此过程将耗费4到9个月，可谓龟速。不过，对于在轨十几年的通信卫星来说，牺牲五六个月的时间是可以接受的。

飞向月球

回答开篇问题：“我们的航天员能否驾驶中国空间站飞到月球去？成为月球轨道空间站？”

回答：同为空间飞行器，中国空间站不过是一个放大版的嫦娥二号。理论上空间站只要燃料够，是可以完成地月轨道转移的。空间站的轨道保持发动机和姿态发动机共向开机，是有足够推力让空间站加速到转移轨道。

嫦娥二号轨道

嫦娥二号

嫦娥二号卫星重量为2480公斤；携带的燃料为1300多公斤。

中国空间站建成后的重量是180吨；单问天实验舱携带的燃料为1.5吨。

在太空中来说，推动嫦娥2.4吨和推动空间站180吨需要的推力可以是相同的，唯一不同的是加速度不同。同样的推力下，空间站加速慢，嫦娥加速快。

只不过空间站的设计是为了在400公里高度工作运行而用的，如果变轨飞向月球，没有相应的深空通讯设备支持，也没有深空定向设备辅助。会让航天员非常难控制。但是未来的月球探测中，是有可能出现月球轨道空间站的。

地月转移轨道

梵观点：极端情况下，驾驶空间站飞离地球是可能的。

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