早安，各位看官！昨天聊光的本質(zhì)，很多朋友在看到毛玻璃一截之后就出神了，這是我筆者的過(guò)錯(cuò)，沒(méi)有認(rèn)真為科普獻(xiàn)身。

今天我們來(lái)聊點(diǎn)輕松的話題，太空中的飛船是如何再獲得驅(qū)動(dòng)力的？

還是先來(lái)做一個(gè)開(kāi)篇提問(wèn)：“我們的航天員能否駕駛中國(guó)空間站飛到月球去？成為月球軌道空間站？”（文末解答）歡迎大家一起討論。

火箭燃料

任何的飛船在進(jìn)入環(huán)地球軌道之前，都是先從大氣層內(nèi)，要么從地表，要么從高空中，通過(guò)火箭燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的推力克服地球的引力飛出大氣層的。

運(yùn)載火箭使用什么動(dòng)力把航天器送上太空的呢？

從物理形態(tài)上講，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用的推進(jìn)劑有兩種形式，一種是液態(tài)物質(zhì)，另一種是固態(tài)物質(zhì)。以液態(tài)燃料來(lái)說(shuō)，有煤油、酒精、偏二甲肼、液態(tài)氫等作為燃燒劑，而用液態(tài)氧、四氧化二氮等等提供的氧化劑幫助燃燒的，人們習(xí)慣上把燃燒劑和氧化劑通稱為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料或推進(jìn)劑。

肼（N2H4），又稱聯(lián)氨，為無(wú)色油狀液體，有類似于氨的刺鼻氣味，是一種強(qiáng)極性化合物。能很好地混溶于水、醇等極性溶劑中，與鹵素、過(guò)氧化氫等強(qiáng)氧化劑作用能自燃，長(zhǎng)期暴露在空氣中或短時(shí)間受高溫作用會(huì)爆炸分解，具有強(qiáng)烈的吸水性。

有毒的還是無(wú)毒的？

以火箭燃料為標(biāo)準(zhǔn)，科研領(lǐng)域燃料最好是無(wú)毒無(wú)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，但偏二甲肼不僅易燃易爆還有劇毒，不過(guò)好處是可以常溫存放，因此到現(xiàn)在老的液體火箭或?qū)椷€在采用，衛(wèi)星商用發(fā)射考量成本，都打仗了還用啥環(huán)保的？（人類就是這么現(xiàn)實(shí)）

紅棕色煙霧是偏二甲肼和四氧化二氮的特征

無(wú)毒燃料則主要以液氧煤油為主，煤油容易保存，而且火箭用的煤油與航空煤油差別不大，是公認(rèn)的火箭環(huán)保燃料。

比液氧煤油更環(huán)保的是液氧液氫，這倆燃燒后就是水，而且還是純凈水，火箭一發(fā)射完，直能變成雨的直接落地了，在高空中的，直接變?cè)浦?！最環(huán)保的無(wú)疑就是這種了，但液氫不僅需要低溫保存，而且密度只有煤油的10%，液氫的火箭燃料罐體積太龐大，這直接導(dǎo)致低溫火箭體積比常溫火箭要大得多。

比如我們中國(guó)自己研究的登月火箭CZ-9，一級(jí)火箭將使用12臺(tái)YF-130，此前的CZ-9的構(gòu)型是這樣的：

• 助推器：數(shù)量4個(gè)，每個(gè)助推器為2臺(tái)高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-130）
• 芯一級(jí)火箭：4臺(tái)YF-130；高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)
• 二級(jí)火箭：2臺(tái)220噸級(jí)高壓補(bǔ)燃氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-90）；
• 三級(jí)火箭：4臺(tái)25噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)（YF-79）；

經(jīng)過(guò)這么一頓猛如虎的操作下來(lái)，衛(wèi)星也好，飛船也罷，都順利進(jìn)入環(huán)地球軌道了。

490N（牛）軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)

這里以我們的“太空重卡”天舟貨運(yùn)飛船來(lái)舉例，天舟系列貨運(yùn)飛船主要用于對(duì)中國(guó)空間站在軌運(yùn)行期間，提供補(bǔ)給支持。天舟貨運(yùn)飛船發(fā)射質(zhì)量約13噸，最大可承運(yùn)6.9噸上行補(bǔ)給物資，載貨比高達(dá)5.1。

在整個(gè)天舟貨運(yùn)飛船上一共有安裝了36臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，其中包括4臺(tái)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)（位于尾部的4臺(tái)490N軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)）在抬升貨運(yùn)飛船軌道和變軌的過(guò)程中，需要靠這4臺(tái)大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

490N發(fā)動(dòng)機(jī)

而飛船上的這種490N發(fā)動(dòng)機(jī)，使用的是雙組元推進(jìn)系統(tǒng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑為四氧化二氮(N2O4) 和甲基肼，其真空推力為490N，主要用來(lái)進(jìn)行軌道調(diào)整，比如爬高。

氮?dú)馔七M(jìn)

早期的衛(wèi)星，由于推進(jìn)技術(shù)還不成熟，多使用高壓冷氣推進(jìn)，而這里的冷氣主要是氮?dú)?/strong>。不僅是衛(wèi)星，其他航天器比如前蘇聯(lián)的“東方一號(hào)”載人飛船、美國(guó)的“空間實(shí)驗(yàn)室”也用到了冷氣推進(jìn)。冷氣推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，無(wú)污染，但是推進(jìn)動(dòng)力小，性能低下。目前我國(guó)有一小部分衛(wèi)星依然還在使用高壓氮?dú)馔七M(jìn)方式。

加加林乘坐的東方一號(hào)，黑色的圓球就是高壓氮?dú)馄?/p>

姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)RCS

飛船或衛(wèi)星上的主發(fā)動(dòng)機(jī)，主要作用是干"體力活兒"的，只能在一個(gè)方向上提供較高推力，不適合干一些精細(xì)活兒。因此當(dāng)飛行器調(diào)整姿態(tài)，比如轉(zhuǎn)身，或者交匯對(duì)接時(shí)，就不能使用主發(fā)動(dòng)機(jī)了。這時(shí)就需要用一些特殊設(shè)備，微調(diào)航天器的姿態(tài)和速度，也就是RCS系統(tǒng)。

RCS系統(tǒng)噴流

RCS是一些布置在航天器四周，擁有多個(gè)噴口的設(shè)備，但它們的個(gè)頭都很小，因此不太引人注意。由于不同噴口的開(kāi)啟能隨意控制，從而可以借助不同噴口之間的配合，給航天器改變姿態(tài)提供動(dòng)力，讓航天器可以指向任意方向，并在任意方向上加減速。

RCS本身也有細(xì)分。由于對(duì)接過(guò)程是循序漸進(jìn)的，RCS也有大小兩種推力設(shè)計(jì)。當(dāng)姿態(tài)改變較大時(shí)就用大推力，反之就用小推力。

以神舟飛船為例，粗略姿控系統(tǒng)有150N的推力，精確姿控系統(tǒng)只有5N。而且粗略控制噴口只有8個(gè)，精確控制噴口有16個(gè)之多，更精細(xì)。

天舟貨運(yùn)飛船的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)

中國(guó)空間站“天和”核心艙，帶有4臺(tái)軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，也就是主發(fā)動(dòng)機(jī)，還有22臺(tái)姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)（RCS），另外還有4臺(tái)霍爾電推力發(fā)動(dòng)機(jī)，作為輔助?？偣?0臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以精確控制幾十噸重的大家伙在太空中調(diào)整姿態(tài)、改變軌道。

噴出的是啥？

衛(wèi)星和航天器上是“寸土寸金”軌道控制火箭需要較大推力那沒(méi)辦法，使用2套系統(tǒng)的混合燃料也必須用，但姿態(tài)控制RCS作為迷你火箭，必須把結(jié)構(gòu)和可靠性都做到極致。一點(diǎn)多余的空間和重量都不能浪費(fèi)，所以用一種燃料一套系統(tǒng)能做到的絕不會(huì)用兩套。

有些液體，平常相對(duì)穩(wěn)定，但在催化劑的作用下會(huì)迅速分解，產(chǎn)生熱量和氣體。比如過(guò)氧化氫，在鉑催化劑的作用下可以迅速分解成水蒸氣和氧氣。因此只需要使用一種燃料就能滿足需求，它就是第一代RCS燃料。

但是過(guò)氧化氫燃料推力比沖低，攜帶重量大，所以也不是很理想。后來(lái)出現(xiàn)了聯(lián)氨推進(jìn)劑。

比如我國(guó)的神舟系列，使用的單組元推進(jìn)劑是【肼】，也叫聯(lián)氨，相比過(guò)氧化氫，比沖更高，能長(zhǎng)期儲(chǔ)存。但這種物質(zhì)需要特殊的催化劑，想研制高效催化劑，那可是一個(gè)龐大的課題。

催化床

還有一種ADN推進(jìn)劑，是20世紀(jì)70年代由前蘇聯(lián)合成出的一種高能量密度的材料，是能量密度高，不含鹵素的白色結(jié)晶物。ADN推進(jìn)劑由61%的ADN劑料和26%的水和13%的甘油混合而成。

再后來(lái),在美國(guó)NASA執(zhí)行的一項(xiàng)“先進(jìn)的單元推進(jìn)劑計(jì)劃”中,因羥基推進(jìn)劑具有冰點(diǎn)低、密度比沖高、安全無(wú)毒的特點(diǎn),且在常壓下不敏感,存貯安全,無(wú)著火與爆炸的危險(xiǎn),可減少運(yùn)輸和貯存的安全性管理要求,因而被NASA作為新一代的無(wú)毒單元推進(jìn)劑進(jìn)行研究與試驗(yàn)。

硝酸羥銨本身為固態(tài)、富氧的推進(jìn)劑,其分子式為NH3OH·NO3。它和燃料可一起溶解在水中,形成比較穩(wěn)定的混和物——羥基推進(jìn)劑,不產(chǎn)生有毒蒸汽,也無(wú)致癌危險(xiǎn)。

技術(shù)在不斷升級(jí)進(jìn)步，比如我們新的載人返回艙，使用的RCS姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)。使用的就是HAN基無(wú)毒無(wú)污染推進(jìn)劑，維護(hù)性更佳，進(jìn)一步利好重復(fù)使用。

返回艙的RCS姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)

RCS姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)

RCS姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)噴口尺寸

電推進(jìn)系統(tǒng)

電推進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是利用電能加速工作介質(zhì)，形成高速射流而產(chǎn)生推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。與化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同，電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的能源和工質(zhì)是分開(kāi)的：其電能由飛行器提供，一般由太陽(yáng)能、核能或化學(xué)能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置得到；其工質(zhì)常采用氫、氮、氬或堿金屬(銫、汞、銣、鋰等)的蒸氣。電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖極高、壽命極長(zhǎng)。

霍爾電推

電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)加速方式可分為三種類型——電熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、電磁火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。(其中靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)常被稱作"離子發(fā)動(dòng)機(jī)"，是近些年各國(guó)航天學(xué)家的重點(diǎn)研究對(duì)象)

最核心的離子推進(jìn)器，其原理是先將氣體電離，后用電場(chǎng)力將帶電的離子加速后噴出，繼而產(chǎn)生推力。而肼增強(qiáng)推力器就是單組元肼發(fā)動(dòng)機(jī)中分解出高溫氮?dú)狻錃獾葰怏w后，這些氣體再次通過(guò)電阻加熱器加熱，進(jìn)一步提高燃?xì)獾臏囟?。電弧推力器則是通過(guò)電弧加熱氣體，氣體受熱膨脹高速噴出從而產(chǎn)生推力。

推力太小仍需努力

而離子推力器不需要攜帶推進(jìn)劑，因此，可以大幅降低衛(wèi)星重量，并延長(zhǎng)在軌時(shí)間。當(dāng)然，它同時(shí)也要付出代價(jià)。例如，若使用化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)，那么衛(wèi)星從發(fā)射到定點(diǎn)就位只要一周或兩周時(shí)間，但使用全電推進(jìn)的話，此過(guò)程將耗費(fèi)4到9個(gè)月，可謂龜速。不過(guò)，對(duì)于在軌十幾年的通信衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，犧牲五六個(gè)月的時(shí)間是可以接受的。

飛向月球

回答開(kāi)篇問(wèn)題：“我們的航天員能否駕駛中國(guó)空間站飛到月球去？成為月球軌道空間站？”

回答：同為空間飛行器，中國(guó)空間站不過(guò)是一個(gè)放大版的嫦娥二號(hào)。理論上空間站只要燃料夠，是可以完成地月軌道轉(zhuǎn)移的?？臻g站的軌道保持發(fā)動(dòng)機(jī)和姿態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)共向開(kāi)機(jī)，是有足夠推力讓空間站加速到轉(zhuǎn)移軌道。

嫦娥二號(hào)軌道

嫦娥二號(hào)

嫦娥二號(hào)衛(wèi)星重量為2480公斤；攜帶的燃料為1300多公斤。

中國(guó)空間站建成后的重量是180噸；單問(wèn)天實(shí)驗(yàn)艙攜帶的燃料為1.5噸。

在太空中來(lái)說(shuō)，推動(dòng)嫦娥2.4噸和推動(dòng)空間站180噸需要的推力可以是相同的，唯一不同的是加速度不同。同樣的推力下，空間站加速慢，嫦娥加速快。

只不過(guò)空間站的設(shè)計(jì)是為了在400公里高度工作運(yùn)行而用的，如果變軌飛向月球，沒(méi)有相應(yīng)的深空通訊設(shè)備支持，也沒(méi)有深空定向設(shè)備輔助。會(huì)讓航天員非常難控制。但是未來(lái)的月球探測(cè)中，是有可能出現(xiàn)月球軌道空間站的。

地月轉(zhuǎn)移軌道

梵觀點(diǎn)：極端情況下，駕駛空間站飛離地球是可能的。