航天推進系統

航天推進系統是依照火箭推進原理，通過各種精密技術及元、器件製造出來的。

推進系統，又稱“動力系統”或“動力裝置”，是利用自身攜帶的工質，依靠反作用原理直接產生推力或力矩的系統。推進系統是飛行器的主要組成部分。

太空飛行器推進系統是利用自身攜帶的工質，依靠反作用原理為太空飛行器提供推力或力矩的整套裝置，它能夠在大氣層外真空中條件下工作，使太空飛行器達到所需要的速度和飛行姿態。一般又稱為空間推進系統。

基本介紹

• 中文名：航天推進系統
• 外文名：Space propulsion system
• 設計原理：依照火箭推進原理
• 發動機：大推力發動機、小推力發動機

分類

按用途分類

有兩種不同用途的航天推進系統：

1、大推力發動機：這類發動機產生的反作用加速度一般大於重力加速度。主要用途是使運載工具起飛、升高，加速至所需要的宇宙速度。這種推進系統，工作持續的時間短（幾分鐘），有的運載火箭發射時，採用助推器加速，也需要大推力發動機，其工作時間更短。

2、小推力發動機：這類發動機產生的反作用加速度一般小於重力加速度。主要用途是用作太空飛行器在空間的軌道變換、軌道校正、姿態穩定和控制、在月球和行星表面的著陸和起飛、重返大氣層和降落、以及克服失重（例如，使空間站旋轉）等。這類發動機又稱為空間發動機，多級火箭上面級以及級間分離用的發動機，也屬於空間發動機之列。那么，空間發動機的主要特點是什麼呢：

1）大多數航天任務要求空間發動機有多次起動，這是與大推力火箭發動機的主要差別之一。多次起動的發動機與相同工作時間的連續工作的發動機相比，可靠性要求更高，對空間環境的適應能力要強。為此，推力室的點火是個關鍵問題，如果採用自燃推進劑，就不需要點火裝置。然而，在空間的低溫環境中，推進劑的自燃性會受到損害；在真空環境中，起動點火，可能發生推力室壓力激烈的波動，從而會給飛行制導系統造成嚴重的負擔。

2）太空飛行器常常要求空間發動機具有在一定程度上的推力調節功能，即變推力功能，這是與大推力發動機的另一個差別。例如。“阿波羅”登月艙的降落髮動機，需能連續地在470千克到4700千克的範圍內改變推力，以便繞月飛行、選擇降落地點和降落至月面。

按能源分類

按使用的能源（推進劑）不同，分為三種類型：

一、化學能

以化學反應為能源的化學火箭發動機

這種能量來源的原理是將化學推進劑進行化學反應所釋放出的能量轉化為推力。化學能的釋放最常見的形式是燃燒放熱。

根據這類發動機使用推進劑相態的不同，又可將它們分為：

1） 使用液體推進劑的液體推進劑火箭發動機，簡稱液體火箭發動機；

2） 使用固體推進劑的固體推進劑火箭發動機，簡稱固體火箭發動機；

3） 使用固體和液體推進劑的固液組合型火箭發動機。

二、核能

以核反應為能源的核火箭發動機

這類發動機能量來源的原理是將核反應釋放出的能量轉化為推力。核能的釋放是和原子內部粒子的轉變同時發生的，核能釋放的形式有裂變、聚變、同位素衰變等多種類型，井以此分為不同的核火箭發動機。

三、輻射能

以輻射能為能源的火箭發動機

輻射是一種傳播能量的形式，這裡主要是指用連續輻射的太陽能作為發動機的能源。

從能量的觀點看，發動機實質上是一個能量轉換器，把來自能源的輸入轉化為噴射物質的動能形式的輸出，最終獲得直接反作用的推力。噴射物質可以是固態的、液態的或是氣態的，在很高溫度下也可能是一種電漿，即電子激發的氣體，實際上，噴射物質經常是上述物質的兩種或兩種以上的組合。

以上便是對航天推進系統的大體介紹。

用途

太空飛行器推進系統的功能是為太空飛行器軌道機動提供所需要的推力，為太空飛行器姿態變化提供所需要的力矩。用於太空飛行器的推進系統多種多樣，採用何種推進系統取決於太空飛行器本身的任務及其對推進力(加速度)和力矩的具體要求。細說起來，太空飛行器推進系統要為太空飛行器完成以下任務提供動力。

變軌控制和軌道修正

為太空飛行器變軌、軌道修正任務提供力和力矩，變軌控制是將太空飛行器從一個軌道變到另一軌道，變軌前後2個軌道可以在同一個軌道平面內或不在同一個軌道平面內，如把太空飛行器從低軌道轉移到高軌道(如地球同步軌道)或月球軌道和行星軌道。由於各種攝動因素存在，太空飛行器會逐漸偏離標稱軌道，需要推進系統提供力與力矩進行修正，以保證在預定的軌道上穩定運行，如低軌道太空飛行器．長期軌運行時會受到大氣阻力的影響，軌道會慢慢衰減，耍經常進行軌道修正、提升，需要推進系統提供力與力矩。

軌道保持和位置保持

為太空飛行器軌道保持任務提供力和力矩。軌道保持是調整太空飛行器的軌道速度．修正軌道參數，使太空飛行器運行軌道與理論軌道的偏差控制在允許範圍內。地球同步衛星的軌道保持即為位置保持。例如：地球靜止軌道衛星在軌道運行期間。由於月球和太陽引力，會引起軌道傾角變化．需要推進系統為衛星南北位置保持提供控制力矩；由於地球形狀的攝動和太陽光壓，造成衛星經度偏移和偏心率攝動，需要推進系統為衛星東西位置保持提供控制力矩。

交會與對接

為太空飛行器的交會對接任務提供推力。交會與對接是使2個或2個以上的太空飛行器在軌道上預定的位置相會合併，在結構上相連線。在交會過程中還涉及到太空飛行器之問的停靠和交會後的分離。

入軌、離軌和再入

為太空飛行器進人預定軌道，以及在完成任務後脫離運行軌道或再入地球大氣層提供動力。將在近地軌道上的有效載荷送入到較高的地球軌道或行星際交會軌道。採用太空梭發射靜止軌道衛星，需要攜帶近地點發動機和遠地點發動機，完成衛星的近地點和遠地點的注入。如運載火箭發射靜止軌道衛星，一般需要遠地點發動機，完成衛星的遠地點的注入。

姿態控制

太空飛行器在軌運行時，要完成其承擔的任務，必須依靠推進裝置提供動力，以保持在預定姿態。太空飛行器姿態控制包括姿態穩定和姿態機動兩方面。姿態穩定是把太空飛行器保持在規定姿態偏差範圍內。姿態機動是把太空飛行器從某一姿態調整到另一預定姿態。星箭分離後，太空飛行器為了捕獲姿態以及捕獲太陽光能，需要推進系統為其完成太陽、地球和星的捕獲提供控制力與力矩。

月球和行星上著落和起飛

為太空飛行器提供動力，使其按預定要求進入月球或行星的大氣層，並在其表面軟著落．在完成其探測任務後起飛返回。

因此，推進系統的性能優劣直接影響太空飛行器的控制精度、壽命和可靠性。推進系統的結構質量加上所裝載的推進劑，占太空飛行器相當一部分質量(如地球同步靜止軌道衛星推進劑占整個衛星質量的50%左右)，故推進系統性能對太空飛行器是至關重要的。選擇一個合適的系統方案，精確地計算出所需推進劑質量，就能增加太空飛行器的有效載荷比或者延長太空飛行器的壽命。太空飛行器推進系統的發展，也始終圍繞著如何提高推進系統性能這個思路進行的。

對推進系統要求

從總體的角度來說，對太空飛行器推進系統的要求如下：

(1)回響快、動作快速。由於太空飛行器用空間發動機所執行的任務不論是姿態控制，軌道修正，還是空間各種機動，都要求空問發動機T作快速。只有這樣才能保證對太空飛行器的控制精度。目前，空間發動機起動、關機時間，以及控制閥門回響時間一般小於100ms。最先進的指標為10ms左右。

(2)多次起動、脈衝工作。由於太空飛行器在軌飛行時間長，要求推進系統具有多次起動、脈衝和長程工作的性能。需要解決失重條件下推進劑供應、長程工作和多次可靠起動等技術問題。比如美國阿波羅飛船在一次登月飛行中，使用的16台R-4D發動機起動關機的總次數達到15萬次，而個別單機起動關機的總次數達到1萬次以上。

(3)性能參數儘可能高。推進系統占有太空飛行器大部分質量，不斷提高其組件的性能十分重要。火箭發動機性能包括穩態性能和動態性能。穩態性能參數有推力、比沖等，動態性能參數有調節精度、過調量、回響時間等。可採用有一定基礎的新材料、新工藝，將推進系統因性能提高而節省的質量和空間轉移給有效載荷，提高任務效能。目前空問液體火箭發動機比沖為2746～4413N·s/kg。雙組元變推力液體火箭發動機比沖為2452～3138N·s/kg。

(4)總質量小。結構質量一般為太空飛行器總質量(未加注推進劑時)的5%左右。

(5)具有高可靠性。太空飛行器的可靠性由各分系統可靠性組成。對太空飛行器的可靠性一般都要求很高。而空間發動機起動關機次數頻繁，要求推進系統工作可靠性就更高。太空飛行器推進系統可靠性指標要求：一般太空飛行器可靠度為0．98～1．0(置信度0．95)．載人太空飛行器為1．0。

(6)低成本。推進系統在太空飛行器成本中占有相當大的比例，必須尋求降低推進系統成本的途徑。

推進系統在滿足上述總體要求的情況下，還要滿足飛行功能要求和系統性能要求。

特點

太空飛行器推進系統要在特定的空問環境巾完成各種不同的任務，因而它的工作方式、技術性和系統結構等方面都具有明顯的特點：

(1)工作環境惡劣。太空飛行器推進系統工作高度範圍是無限的，根據太空飛行器的任務不同，可能在高層大氣巾，也可能在外層空問或深度宇宙空間工作。要在高真空和失重的空問環境中長期工作，並經受太陽及其各恆星的空間輻射。要適應惡劣的工作環境，給太空飛行器推進系統研製帶來許多特殊的問題。

(2)單個推力室的推力比較小。目前用於太空飛行器的主發動機推力範圍一般為0．5～100kN，輔助發動機的推力範圍僅為0．05N～2kN(在國內，無水肼推力器推力已達0．1 N左右、電推進推力器推力約為40mN、冷氣推力器推力約為40mN)。產生的反作用加速度一般小於重力加速度。發動機推力小，帶來了試驗時的參數測量精度、推力室冷卻傳熱等諸多問題。如推進劑流量小．噴注器面上噴嘴不能多，二次混合燃燒組織困難，推力室比沖低；不能均一地軸向對稱地燃燒，燒熱室周向容易產生局部高溫，產生燒穿室壁問題。

(3)多次起動或脈衝工作。一般要求太空飛行器採用的空間發動機應具有多次起動或脈衝工作，回響要快，脈衝寬度要小。對於液體空間發動機，由安裝在推力室頭部的電磁閥直接控制推進劑進入燃燒室，回響時間一般4～25ms。

(4)工作時間長。太空飛行器推進系統無論是持續工作和脈衝式工作，累積工作時間比一般運載火箭的主推進系統要長的多。累積工作次數或循環工作壽命．從幾十次至幾十萬次，有些在軌壽命高達10年以上。工作時間長，會帶來推進劑貯存問題．如推進劑蒸發損失，推進劑與結構材料的相容性問題等。

(5)推力調節範圍大。太空飛行器推進系統不僅能在額定推力下工作，而且可根據不同任務的要求調節推力．推力調節範圍較大，最大推力可大於額定推力的十幾倍。

(6)結構尺寸小。太空飛行器推進系統的發動機結構尺寸較小，推進劑流量小，耍保證發動機具有高的性能，流量控制精度和燃燒過程組織要求高，將使噴注器流路及噴嘴的製造加工更加困難，難度更大。

(7)一般採用擠壓式推進劑供應方式。推進劑貯箱、貯箱增壓氣瓶以及相應管路是系統組成的一部分。隨著航天事業的發展，地球同步衛星的體積和質量越來越大，這就需要大提高太空飛行器推進系統的真空比推力。因此，提出泵壓式液體遠地點發動機替代傳統的擠壓式推進系統，以減少太空飛行器推進系統自重和增加發動機燃燒室壓力來增大比推力，進而增加太空飛行器有效載荷，降低成本。