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【科普类】姿态控制的动力来源
【科普类】姿态控制的动力来源
www.dicp.ac.cn    发布时间:2011-10-13 16:15    栏目类别:征文展览

 十五室 刘爽

发射的卫星或者载人飞船进入太空后,在失重状态下,需要准确进入到预定的轨道,实现变更、并保持一定的方位以完成不同的任务,比如正飞、侧飞、对地指向、对日定向使太阳能帆板获得日照,最后预期返回,这属于姿态控制。完成这些姿态控制任务需要末级火箭提供动力。

一般来说,发送8吨左右的飞船或者卫星进入太空需要470多吨的火箭作为推进系统,也就是说每送入太空一公斤的东西大概需要60多公斤的火箭,而火箭里90%的重量是推进燃料。如此巨大的火箭通常采用分级制造,地球运载卫星为三级,宇宙飞船为四级,发射时,每一级火箭燃尽了全部推进剂以后,就会被丢弃,接着燃烧下一级火箭……末级火箭和卫星或者飞船一起进入太空进行姿态控制。

与发射时摆脱地球引力不同,这种姿态控制所需的动力要具备很多特点,推力范围要广,为0.02~2000牛(0.002~200公斤力);能反复起动,而且要迅速,工作时间要尽可能的长,有的要长达十年。这就好比在不同的方位投篮球,距离篮筐远近决定了力的大小,投的次数就是启动次数,在速度上越快越好,坚持的越久越好。

用的最多,技术最成熟的动力是来源于一种化学物质分解产生的化学能转变成动能获得的,这种化学物质是液态肼推进剂(分子式:N2H4、H4N2或H2N-NH2)。肼在常温下是一种稳定的无色透明液态化学物质。当温度在250oC以上时肼会发生分解。分解时,放出强的热量,因而会产生高温高压的N2、H2、NH3混合气体,高温时NH3还可以进一步分解,产生N2和H2。但问题是对于空间姿态控制来说,不可能有如此高的温度用于启动肼分解,所以,如何才能降低肼分解温度,并且能够在一瞬间就能释放出最多的热量呢?这是一个非常重要的科学和应用的难题。

一种是利用电加热到肼分解温度,生成高温高压气体,从喷管排出产生推力。但由于电功率的限制,电加热分解产生的推力不足够大,仅适用小于0.1公斤力。
另一种是催化分解肼。从化学的角度讲,肼分解,即H2N-NH2之间的化学键断裂,有一个能量的势垒,只要跨越过这个势垒就可以分解,并且自身放出的热量就会自我维持,使更多的肼分解,从而瞬间就能放出大量热。推力的大小可以直接通过肼的用量来调节。

为了降低肼分解的能量势垒,采用催化剂来实现这个目的。催化剂最主要的成分就是具有很强吸附作用的小粒子,称为活性组分,通常为贵金属。肼很容易吸附在这些活性组分上,在这种活性粒子的活化下很容易分解。由于肼分解产生极高的温度,而且要有很强的冲压,通常活性组分很容易在高温高压下聚集在一起,肼吸附减少,而且这些活性粒子在高温下也容易挥发成蒸汽,随分解产物一起排出,流失,导致活性粒子的分解性能下降,甚至失去活化的能力。所以科学家采用了一种或多种氧化物作为支撑,然后再把活性粒子分散在上面,美国最先研究出了这种物质,代号是shell 405,它的构成是Al2O3上覆盖一层贵金属Ir。我国也自主研发出了这种催化剂,已应用于神五,神六等的使用。后来经过证明,作为活性粒子的支撑物也能够调节贵金属的活化能力。这就好比爱迪生发明钨丝电灯一样,在众多的氧化物和贵金属之中,如何才能制备出最佳的组合,以及采用最好的制备方法,既能用最少的物质尽可能地在低温发挥最大的活性,还要保证空间飞行任务的耐久性,这个科学问题一直在进行研究。

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