问天舱装了1.5吨燃料！天宫已有电推，为何还要那么多化学燃料？

据公开消息，问天实验舱长达17.7m，直径4.2米，干重约21500kg，是目前长度最长、直径最大的单体载人航天器，加上额外的1550千克推进剂，发射质量将超过23吨。

看到这里相信大家都有个疑问，天宫空间站不是已经有了电推么，为何还要那么多燃料，这些燃料究竟是电推准备的还是化学燃料准备的？

1.5吨燃料：究竟是液氙还是肼类燃料？

突然跑出这个问题，估计大家都有点懵，氙不是惰性气体么？怎么和燃料扯上关系了？事实上氙这个54号元素正是很多离子电推或者霍尔电推的发动机“燃料”，它的工作原理描述起来倒是不难理解，就是实现起来难度不小。

无论是霍尔还是离子电推，它的原理基本都是这样的：将“燃料”电离，区分出离子（带正电的原子核）和电子，然后将两者分离，离子电推中是利用电场加速离子，最后电子用电子枪注入尾流，否则航天器上电荷不断增加，不是一个好事。

霍尔电推则是利用磁场分别加速离子和电子，最后从电推发动机“尾喷口”高速喷出，与离子电推相比两者在结构和比冲上差别都非常大，我们今天不关心结构，只关心它们的“输出”。

离子电推的比冲很高，可以达到3000S以上，但推力比较低，只有微牛以及毫牛级别，而霍尔电推则可以达到毫牛以及牛顿级别，但比冲只能达到1500S左右，不过推力要比离子电推大得多，因此在航天器以及深空探测上霍尔电推的应用更广泛。

霍尔电推结构原理图

关于电推的燃料还不少，基本上容易电离且原子序数比较高的元素都可能被选择作为“燃料”，比如上文中的氙，还有早期的汞也是，不过有毒被放弃了，但现在似乎又有人要把它请回来，毕竟成本实在是很低，另外还有氡、氩、铋、碘、镁和锌也是可以的，这完全超出了一般人对于“燃料”的概念。

不同燃料下的离子发动机尾焰颜色

究竟是氙还是肼类燃料？

天宫空间站用的离子发动机是LHT-100型霍尔电推推进器，用的是氙，其单台推进力为80毫牛，四台加起来也才320毫牛，也就是0.32牛顿，暂时我们不考虑推力，先区分出是哪种“燃料”。

这个角度能看到四个球形燃料罐

液氙属于高压液化气体，确实是可以用气罐装的，问天实验舱上的燃料罐似乎也有可能，但1.5吨液氙似乎又不太可能！假如用在天宫空间站上，按霍尔电推的推力估计，这几年都用不掉！而根据肼类燃料在火箭燃料罐的形状来推断，这个球体罐应该就是肼类燃料罐。

安装在Fregat上面级的火星快车

肼类燃料基本上指的是四氧化二氮和偏二甲肼，尽管都是有毒燃料，但这俩玩意儿相遇就燃烧，不存在点火难题，因此在变推力发动机以及需要多次重复点火的发动机基本都是这种燃料，而天宫空间站在其寿命期内需要“无数次”点火，因此肼类燃料的可能性是极高的。

阿波罗登月飞船的结构

已经有了电推，为何还要那么多化学燃料

分清楚了到底是氙和肼类燃料之后估计大家更懵了，因为天和核心舱上天后各个媒体都在发文称核心舱安装的LHT-100型霍尔电推推进器非常先进，燃料极端节省，与国际空间站相比燃料节省率差一个数量级，但现在又在问天实验舱上安装了化学燃料发动机，这不是打脸么？其实不然，下文就简单来了解下为何要这样操作。

天宫空间站为什么还要发动机？

原因很简单，因为在空间站的高度（离地约390千米）仍然存在大量的稀薄大气分子，长期运行会对空间站造成不少阻力，因此需要发动机时不时的推动一下，比如国际空间站每年消耗在轨道维持的燃料在5~7吨之间，这个消耗实在比较大，毕竟在空间站上每千克的运输成本就高达1-2万美元。

我国的LHT-100型霍尔电推推进发动机主要就是干这个用途的，尽管它推力只有0.32牛顿，但长期开机，加速天宫空间站也可以将其轨道维持在一定的高度，而其燃料消耗率很低，比起国际空间站动辄数吨的燃料，天宫的消耗估计在千克级别，真的是数量级的差别，节省过了大量货运飞船的空间。

有了电推进发动机为何还要化学燃料发动机？

在问天实验舱的锥形部位，总共有36个发动机，其中4个比较大的是轨道机动发动机，另外有32个属于姿态控制的发动机，这是精确控制空间站的姿态，不过辅助姿态控制的还有“无源”的动量轮，它只需要电力即可调整空间站的姿态，这里无源的意思是不消耗燃料，只消耗太空中唾手可得的电力。

之所以还要用化学燃料发动机是因为电推进发动机的推力太低了，尽管可以维持轨道，但它作为轨道机动使用就有点勉为其难了，因为在目前条件下，至少有两种轨道操作行为是必须用大推力发动机的：

• 1、躲避太空垃圾机动；
• 2、轨道调相机动；

前者大家都能理解，这个太空垃圾轨道计算后预计于某月某日路过空间站附近时可能会造成威胁，因此空间站必须在这个时间节点前改变轨道躲避，如果提早几个月的话估计电推发动机是可以调整的，但如果只有几天时间的话，可能根本就来不及，因此需要大推力发动机才能立刻调整轨道。

还有一个则是调相机动，很多朋友对这个机动不太了解，简单的说就是将空间站在地球上投影的星下点（有点类似正弦波轨迹）的相位往前或者往后调整一下，以便星下点经过某个位置，为飞船快速返回或者飞船比如本次的问天实验舱快速对接做好准备。

比如此前我国的飞船与天宫一号和二号对接时至少需要两天时间，这是因为两者轨道相差比较大，飞船发射后要去追目标飞行器，慢慢调整到可以对接时2天已经过去了！这航天员在飞船里穿着尿不湿，坐上两天，估计脸都要绿了！

现在有了能自由机动的天宫空间站就省事了，调整相位，迎接飞船快速对接，发射后6.5小时就能对接空间站，就像一趟长途汽车，忍忍就到了哈！不过这个调相可能会经过多次，也要求在短期内完成，比如几天，能满足这个要求的目前而言也只能化学能发动机。

延伸阅读：更大的电推

2022年1月29日，观察者网官方微博发布了一个重大新闻，我国百千瓦级霍尔推力器性能达到国际先进水平！航天科技集团五院510所大功率霍尔电推进技术取得重大突破：

在地面试验中，单通道霍尔推力器（HET-450）以Xe（氙）为工质最大功率达到105千瓦，最大推力达到4.6牛，以氪为工质最高比冲超过5100秒，标志我国在大功率电推进技术领域内，百千瓦级霍尔推力器性能达到国际先进水平，并实现了单通道霍尔推力器比肩美国多通道X3霍尔推力器（最大功率102千瓦，最大推力5.4牛）的技术水平。

这种级别的霍尔电推进发动机只要多装几台，在天宫空间站上应对轨道机动就比较有可能了，只是它的功率消耗有点大，比如目前我国天宫空间站上太阳能电池能提供的功率也只有十几千瓦，未来扩展后也不过100千瓦左右，如果在轨道调整的短期内要达到这个功率，那么有三种办法：

• 1、加大太阳能电池面积；
• 2、增加蓄电池，临时大功率供电
• 3、小型核反应堆供电；

似乎前后两种都有点不太靠谱，只能加个蓄电池，比如航天级的锂离子电池，能提供百千瓦级的电池重量还不小，与化学燃料相比，不知道性价比如何，这个得有航天专家测算下，据种花家估计，这种用电但非常节省燃料的发动机一定是深空探测的未来。

比如在这个发动机的未来应用上就有登月以及行星探测等前景应用，希望这种电推发动机能达到数十牛级别甚至更高，那么未来的载人火星登陆也将更为现实。（完）