追尋深空探索的動力之源

從美國“旅行者1號”飛船進(jìn)入星際空間，到中國“嫦娥四號”計劃世界首次月球背面著陸巡視探測……人類放眼“星辰大海”的步伐已經(jīng)越來越快。

航天發(fā)展，動力先行。

推進(jìn)系統(tǒng)一直承載著人類進(jìn)入太空、探索宇宙的夢想，被稱為人類空間技術(shù)事業(yè)發(fā)展的基石。傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)能否支撐星際旅行的夢想？

因為在航天器性能、壽命和飛行速度方面受到限制，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)已然不能滿足當(dāng)今不同衛(wèi)星平臺的任務(wù)需求。與之相比，霍爾電推進(jìn)可以節(jié)約大量推進(jìn)劑，被廣泛用作地球同步軌道衛(wèi)星和深空探測等任務(wù)的主推進(jìn)系統(tǒng)。

但是，電推進(jìn)器工作時產(chǎn)生的羽流（指從發(fā)動機(jī)噴管噴射出來的羽毛狀的高速高溫燃?xì)饬鳎且环N氣體分子濃度大、電子密度和電子碰撞頻率都很高的弱等離子體）有可能撞擊表面板和光學(xué)電子儀器，造成粒子污染，使航天器表面及儀器性能退化，從而對航天器工作造成不良影響，甚至影響其工作壽命。而且，由于真空環(huán)境下的羽流很難進(jìn)行實驗?zāi)M，真空羽流場的實驗研究一直很難進(jìn)行。

于達(dá)仁，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院教授，針對霍爾電推進(jìn)羽流發(fā)散角大影響性能和壽命的世界性難題，歷經(jīng)14年攻關(guān)，終有所成。

2016年11月3日，哈工大空間電推進(jìn)技術(shù)取得重大進(jìn)展，和中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院第五〇二研究所聯(lián)合研制的磁聚焦霍爾推力器HEP-100MF成功搭載長征五號運載火箭在實踐十七號衛(wèi)星上進(jìn)行了飛行驗證。

這個推進(jìn)器就出自于達(dá)仁團(tuán)隊之手。這個成果也被評為“2016年度高校十大科技進(jìn)展”。

它厲害在哪里？

此前國內(nèi)外研究普遍表明，高放電電壓下（Ud≥500V）推力器會出現(xiàn)如電子電流增大、電子溫度升高達(dá)到“飽和”、電離過程加速過程穩(wěn)定性惡化放電振蕩增大、羽流發(fā)散、推力器超溫和絕緣失效等問題。如何在高電壓工況下實現(xiàn)推力器的等離子體束流控制及聚焦，減少等離子體與壁面作用的產(chǎn)熱？

針對這一關(guān)鍵問題，于達(dá)仁團(tuán)隊建立了壁面非光滑形貌下電子無碰撞傳導(dǎo)的理論，發(fā)現(xiàn)了勵磁回路與放電回路間的耦合振蕩，修正了靜態(tài)磁場的設(shè)計理念；建立了放電穩(wěn)定性的理論判據(jù)，提出了壁角離子濺射腐蝕穩(wěn)定性判據(jù)及壁面減速腐蝕機(jī)理；他們突破了寬范圍磁聚焦、熱/電/磁耦合設(shè)計、放電低頻振蕩控制、低功耗高可靠空心陰極穩(wěn)定放電等關(guān)鍵技術(shù)，研制成功磁聚焦霍爾推力器HEP-100MF。較國外同類產(chǎn)品，降低推力器燃料消耗20%，羽流發(fā)散角減小了60%。

這一系列突破，為我國新一代長壽命航天平臺提供了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型電推進(jìn)技術(shù)，同時將為我國新一代通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、空間站及深空探測提供技術(shù)支撐，可廣泛應(yīng)用于我國新一代全電推進(jìn)通信衛(wèi)星平臺。

這也是國際電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑。這是世界首次實現(xiàn)磁聚焦霍爾推力器空間應(yīng)用。它采用的新一代霍爾推力器技術(shù)，代表著國際上目前的主流發(fā)展方向。

目前，該磁聚焦霍爾推力器已完成了包括點火、性能標(biāo)定、長穩(wěn)態(tài)測試及衛(wèi)星系統(tǒng)兼容性等所有在軌考核，各項參數(shù)均滿足指標(biāo)要求，其中磁聚焦與羽流發(fā)散角控制技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

除這一成果外，針對航天、國防在動力方面的需求，提升技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化能力，于達(dá)仁教授團(tuán)隊面向高超聲速推進(jìn)這一國家重大戰(zhàn)略需求和學(xué)術(shù)前沿，研究成果涉及航空、航天未來關(guān)鍵動力領(lǐng)域，解決了部分我國在航空、航天等行業(yè)亟需解決的技術(shù)難題，成果總體達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平。

近五年來，研究團(tuán)隊承擔(dān)了包括863、973、國家自然科學(xué)基金群體及面上項目、武器裝備預(yù)研、國防基礎(chǔ)科研等國家級科研項目近50項；獲省部級一等獎2項、二等獎1項；申請國家發(fā)明專利70余項（授權(quán)40余項）。至今為止共發(fā)表學(xué)術(shù)論文500余篇，SCI、EI分別收錄300余篇。

我國是近年來深空探測領(lǐng)域的“新星”，探月是近期主要任務(wù)，火星探測計劃在2020年之后，此外中國科學(xué)家還提出了多項空間探測計劃。

浩渺宇宙，有無限秘密等著人類去探尋，而在未來，這些飛向太空的“中國星”身上，需要裝一顆支撐她遠(yuǎn)航的“中國心”。

人物簡介

于達(dá)仁，哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院教授。1981年至今一直在哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)和工作。2009年入選長江學(xué)者特聘教授，并獲得國家杰出青年基金。2009年至今任動力工程學(xué)會、工程熱物理學(xué)會理事，宇航學(xué)會電推進(jìn)專業(yè)委員會常務(wù)副主任。