天问一号第二次中途修正

 

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作者:杨超

自从天问一号成功发射以来,时不时都在留意航天新闻,并学习相关的背景知识,总是有新的收获。

最近,9月20日,天问一号进行了第二次中途修正,4个120N的发动机同时工作20秒,主要是验证了发动机的在轨工作性能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上一次,即第一次中途修正,是3000N的发动机工作20秒。那么,天问一号究竟有多少个发动机呢?

一共是48个。引用中国航天科技集团六院的一则报道如下:

在“天问一号”火星探测器上,航天六院研制交付了着陆巡视器和环绕器的两套推进分系统,共计48台大大小小的发动机。它们将分别为着陆器着陆过程悬停、避障及缓速下降过程提供可靠动力,为环绕器系统提供轨道维持、轨道转移、制动捕获、轨道调整以及姿态控制所需的精准动力。  其中,环绕器上共有21台发动机,分别是8台120N发动机、12台25N发动机和1台3000N发动机。着陆巡视器推进分系统共有27台中室压发动机,分别为20台250N发动机、6台25N发动机和1台7500N发动机。

暂未查到推进系统所使用的推进剂的相关报道和介绍。不过根据之前嫦娥探月工作的情况,应该也是使用技术比较成熟的,且经历了月球软着陆考验的四氧化二氮和甲基肼这一对常温液体推进剂。

嫦娥二号环绕器的主发动机为490牛,天问一号更重一些,因此其环绕器使用了3000牛的发动机,之前第一次中途修正中已经验证过其在轨工作状态了。和嫦娥系列一样,环绕器的8台120N发动机和12台25牛发动机也应该是分为两个分支互为备份。所以,这次第二次中途修正是验证了其中一个分支的4台120牛的发动机。

而天问一号的着陆器的7500牛变推力发动机,和嫦娥三号和四号两个月球着陆器参数一致,应该是同型号或改进型。

除了天问一号、嫦娥系列,我国的其他卫星平台、天宫、神舟飞船、还有远征系列上面级等,都使用这类从490牛到7500牛不等的推进系统。因为其推力比较小,最大的还不到1吨(1万牛才约折合地球海平面1吨的推力),所以其发动机一般采取比较简单且可靠性更高的循环方式:挤压循环(pressure-fed cycle)系统。见下图远征一号。

而长征二、三、四号的芯一级和二级发动机YF-20系列,还有长征四号的三级发动机YF-40,虽然也是采用有毒的肼类推进剂,但因为推力更大,则是用略微复杂的燃气发生器循环(gas-generator cycle)系统。俄罗斯的同类毒发 RD-276(或称RD-275M) 则采用了分级燃烧循环,用于质子号火箭上。俄罗斯也有让质子号逐步退役的计划,但其替代品安加拉号研发进展不太顺利。

我国的氢氧发动机,老一代长征三号的三级上使用的YF-75,和新一代的长征五号一级YF-77,也是采用较为简单的燃气发生器循环设计。长征五号的二级 YF-75D则采用了膨胀循环(expander cycle)设计。国际上氢氧机的最高水平以美国的RS-25为代表,采用复杂度和技术含量最高的高压补燃循环设计,英文中也称之为分级燃烧循环(staged-combustion cycle)。美国另外两款主要的氢氧机 RS-68 和上面级用的 RL-10 则分别采用燃气发生器循环膨胀循环

液氧煤油机方面,我国长征五号助推器和长征七号芯一级的 YF-100 发动机,采用了水平较高的高压补燃循环。美国SpaceX的猎鹰火箭一级和二级Merlin发动机则采用了较为简单的燃气发生器循环设计。另一家美国/新西兰公司的小型电子火箭则采用了可能更加简单的电子泵循环(electric pump cycle)。液氧煤油机的最高水平则以前苏联传给俄罗斯的 RD-170/171(貌似已退役的乌克兰天顶号,退役的前苏联能源号助推)、RD-180(美国Atlas V火箭)、RD-181(美国诺格公司的Antares火箭)、RD-191(俄罗斯新一代Angara火箭)、RD-120(用于天顶二级,我国进口过两台)等为代表,都是采用高压补燃循环。而中型火箭联盟号一级的 RD-107/108 发动机则是燃气发生器循环

液氧甲烷发动机,我国也有研发。但使用液氧甲烷的火箭还未首飞,所以就先不列出此类发动机了。

以上这些火箭发动机的不同的循环设计,主要以推进剂如何进入发动机的主燃烧室的不同的动力方式来分类的。挤压循环,顾名思义就是挤进去。而上面提到的其他四类循环,则都是使用了简单的电子泵或复杂的涡轮泵结构。

言归正传,据央视新闻的报道,目前天问一号、地球和火星的相对位置如下图所示。

 

此外,从这次报道看,除了三大深空站,纳米比亚测控站也参与到天问一号的飞行控制任务中了。不知道该站以后是否也会升级为深空站呢。

 

 

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