航天六院801所十年磨一剑 空间站电推进系统成功首秀

9月23日到24日，由航天科技集团六院801所研制的空间站天和核心舱电推进子系统的四台推力器完成首次在轨点火测试，电压、电流、流程各遥测参数均正常。 主份推力器、主份阴极、备份推力器与备份阴极分别组合点火，各工况均实现点火一次成功。 核心舱舱外摄像机拍摄画面显示，火焰明亮稳定。此次点火测试全面验证了电推进子系统系统的协调性和优良性能，为核心舱电推进转入正式工作应用进行了全面的测试和检验。

在点火之前，电推进子系统的研制人员已经完成在轨除气、系统功能自检、阴极激活、气路增压等操作，这些都是在轨自动执行的，软件会判断指令执行情况，发送下一步指令，地面飞控人员根据实时遥测情况，决定是否单步执行还是自动执行，大大增强了可靠性和便捷性。 这时序已经在地面验证了千百遍，保证在轨工作万无一失。

和我国空间站天和核心舱其他部组件一样，十年磨一剑，801所电推进系统部配套的电推进子系统各项准备工作早在十年前就已开始。 电推进是一个全新的领域，核心舱电推进子系统是电推进在载人航天领域的首秀。 在研制过程中，电推进子系统接受了型号研制流程的重重考验，在整个核心舱电推进研制团队的努力拼搏下完成了各项突破，成为空间站核心舱推进分系统的重要组成部分。

在点火前，电推进系统部的研制人员却十分的沉静，有序的进行着各项检查和推演工作，期盼着最后点火时刻的来临，像盼着自己孩子去自己的天地大展拳脚一番般渴望着成功的喜讯，既自信又紧张， 自信来源于平日里严慎细实的研制工作和千百次的测试， 紧张来源于这项伟大工程的初次尝试， 中国空间站建设工作的美好愿景终于又迈出了关键一步。

电推进子系统首次工程应用于载人航天领域

2011年各家开始论证空间站的可行性和开展具体设计，电推进技术作为一种被广泛应用在深空探测、星际探索等方面的技术，随着载人航天器朝着大功率、长寿命的方向发展，载人航天领域首次选用其作为轨道保持的一种手段，因此801所承担的核心舱推进分系统研制之初，就同时配置常规化学推进和霍尔电推进。

电推进子系统研制的抓总和推进工作的担子落在了主任设计师戴晖的身上。在此之前，戴晖从事了多年的载人、深空化学推进的电系统研制工作，自参与载人飞船一期推进分系统研制工作以来，主持载人飞船、目标飞行器、探月二期、空间实验室、货运飞船等多个型号的电系统研制工作，完成单机软硬件设计工作，取得电系统设计、大幅提升测试效率的地面测试设备设计、推进补加一体化信息流设计、故障检测与处置、补加关键技术浮动断接器、压气机电机驱动等多项开创性的研制成果。 但初次接到电推进子系统这个任务，面对领导的殷切期望、摸索中前行的电推进技术，戴晖感觉到压力重重，但是从另一方面考虑，电推进是未来发展的趋势，载人航天有着成熟的质量控制和型号管理流程，无论是借机打造成熟可靠的电推进系统，还是锤炼年轻的团队都是一个难得的机遇，他决定接过这个沉重的担子。

霍尔推力器各项指标满足总体技术要求

尽管早在1994年801所就已经开始了霍尔电推进技术的研究工作，并已在实践九号上成功开展了在轨飞行试验，但尚未在实际的航天任务中大量应用，对于高比冲霍尔推力器的研究工作也较少。 空间站任务提出之时，801所的研制人员根据总体提出的任务指标进行分解，在已有产品的基础上初步确定霍尔推力器的主要设计参数，同时引入必要的仿真手段，开展原理样机设计，形成原理样机后，对其进行试验研究，验证设计的正确性，若不满足性能指标，则对设计参数进行调整，这样不断迭代直到推力器满足性能指标，并引入了气体分配、磁路仿真、长寿命设计、热设计等优化手段，各项指标达到了总体技术要求。

空心阴极是霍尔推力器的电子源和中和器，推力器工作时空心阴极首先预热产生电子，电子在电场的作用下进入放电室碰撞氙推进剂并使其电离为氙离子，氙离子经过高压电场的加速喷出产生推力，同时空心阴极产生的另一部分电子中和喷出的离子，保持推力器羽流的电中性。 空心阴极是推力器正常启动、可靠工作和羽流中和的必要条件，它的寿命和可靠性直接影响了推力器的寿命和可靠性，所以在开展推力器长寿命试验前都对空心阴极进行单独的寿命和热循环验证试验，以其作为霍尔推力器电推进寿命和可靠性的一个标志。

寿命试验必须在真空环境中进行，根据型号要求，耗时长，启动次数多，为了节约时间，长期稳定放电试验和热循环试验同时进行，并通过计算机控制的自动采集程序进行，完成1万多次的寿命验证试验和2万多次的加热器热循环试验，通过试验验证了点火的可靠性，并完成了点火流程的调整。

精心打造电推进子系统的“最强大脑”

电推进控制单元作为整个电推进子系统的大脑，监控整个子系统管路的安全，保证温度适宜压力适宜，根据系统要求工况发送相关指令进行点火流程控制，由于各项参数和流程都在摸索中，因此流程的更改十分频繁，软件设计师不厌其反的进行更改——测试，并在1553B总线通讯中首次作为总线控制器与功率处理单元进行通信，顺利完成各项测试和验收工作。

功率处理单元为霍尔推力器提供合适的电压和电流，同时由于等离子体放电的特性带来的震荡给单机本身和能源分系统都带来了不小的压力，因此功率处理单元设计和与推力器的匹配性试验就至关重要，由于点火工况无法模拟，只能靠一次一次点火冲击收集各项数据和波形，进行分析对参数进行调整，做到单机自身的控制信号不受大功率干扰稳定工作，又能保障器上母线的扰动不超出其正常范围，影响其他用电设备。

攻坚克难，实现可在轨更换的电推进系统

为满足空间站15年的在轨寿命和可靠性要求，对不足以支持电推进子系统15年的使用需求的部组件需定期进行在轨进行更换，目前可更换的组件有霍尔推力器及贮气模块组合体。 霍尔推力器需航天员出舱进行在轨更换，正常情况下贮气模块组合体氙气已耗尽时由机械臂自动进行在轨更换，但当适配器主动端电机异常和适配器控制器异常机械臂无法自动进行在轨更换时，需安排航天员出舱对贮气模块组合体进行解锁，针对上述需求，电推进系统部的设计人员从2017年开始进行了大量的设计及验证工作，过程充满了曲折与艰辛，山重水复疑无路，柳暗花明又一村。 霍尔推力器除了与舱体的机械安装外，还有气路和电路的对接，涉及管路密封，电路绝缘，并且由于航天员出舱操作的局限，对设计的对接锁定、分离、不同主动端被动端的互换性、航天员安全性、可操作性、防误设计、舱内测试以及舱外转运软包、操作反馈以及标示都有相应要求，需一一满足。 并且空间环境操作和地面操作完全不同，需先通过地面匹配验证设计的有效性后再进一步进行水下试验验证，确认在轨操作空间、操作流程是否合理。 在实际评价中，对舱内安装、舱内转移、出舱转移及舱外安装、拆卸等方面进行了评价，航天员会实地操作，进行完整流程的评估，需要满足其要求一一改进。 贮气模块组合体需满足机械臂更换及航天员更换两种模式，机械臂更换需在贮气模块上设计小臂适配器，首先将贮气模块的小臂适配器与机械臂小臂完成机械、电路的对接，跟着小臂一起来到舱体，主动端控制器驱动电机，通过导向杆、定位销等的设计完成与安装位置舱体的机械安装、气路和电路的对接。 如果小臂适配器或者主动端控制器出现故障，需要航天员手动进行更换，需要考虑到和上述霍尔推力器在轨更换所有的问题及进行相应的验证。 工欲善其事必先利其器，由于舱体的限制，航天员专用工具无法直接进行操作，电推进系统部的设计人员根据实际情况设计了通用工具的维修转接工具，一端与适配器主动端的电机接头接口匹配，另外一端与电动工具接口匹配，解决了航天员的操作问题。 整个功效学的设计和操作流程涉及货船、梦天，涉及机械臂、航天员，需要协调验证的项目繁多，并且并无可借鉴的经验和模式，整个团队群策群力，电推进研制人一一攻克诸多问题，通过一轮一轮的迭代最终完成了评价、并细化和规范了在轨操作流程，使在轨更换成为了可能。

电推进系统部是一个年轻的团队，平均年龄34岁，党员占比51%，是个特别有朝气蓬勃向上的团队，凭借一股初生牛犊不怕虎的精神，全体研制人员团结紧密，勇于创新，承担了电推进及电子设备等专业技术的发展规划、预先研究和工程应用，顺利完成了载人航天、深空探测、卫星、武器等二十多个型号的研制工作，多款推力器工程化应用支撑起十多个卫星电推进型号研制，完成共计三十多台电子单机和20多项软件配置项的研制交付，开展预研项目二十多项，随着电推进应用的推广，电推进系统部的任务更重、担子更沉，但勇于拼搏、勇于创新的精神不变，为航天事业添砖加瓦的决心不变！ 航天六院为空间站核心舱 提供了全部推进与补加系统 4月29日11时23分，海南文昌发射场，我国近地轨道运载能力最大的火箭长征五号B遥二火箭托举着天和核心舱一飞冲天，发射任务取得圆满成功，空间站建造转入任务实施阶段。 航天科技集团六院为此次发射用火箭提供了2台50吨级氢氧发动机组成的芯一级动力和8台120吨级液氧煤油发动机组成的助推器等全部动力系统，为空间站核心舱提供了全部推进与补加系统。 ▲ 空间站核心舱