惰性推进剂是当前航天电推进系统的绝对主流工质，其中高纯度氙气和氪气凭借其化学性质极其稳定、电离能适中、原子量大的独特优势，是霍尔推力器、离子推力器等电推进装置的首选推进剂。过去我国航天级超高纯惰性推进剂的供应完全依赖进口，不仅价格极其高昂，航天级氙气每标准立方米的售价超过12000元，而且全球年产量极其有限，根本无法满足我国未来数万颗卫星组成的低轨卫星互联网星座的巨大用量需求，成为了制约我国商业航天大规模发展的核心资源瓶颈。国内稀有气体分离提纯研发团队经过15年的全链条技术攻关，完全打通了从大型空分装置粗提取、低温精馏富集到航天级深度净化的全产业链技术，实现了航天级惰性推进剂的100%自主可控，为我国低轨卫星互联网星座的大规模建设扫清了资源障碍。
传统的工业级氙气提取工艺，是从大型空分装置的液氧产品中作为副产物少量提取，传统工艺的氙气提取效率不到30%，一套年产数万立方米氧气的大型空分装置，每年只能提取几立方米的粗氙气，生产效率极其低下，完全无法满足未来的巨大用量需求。国内研发团队创新性地开发出了大型空分装置的氙氪组分原位高效富集新工艺，通过在空分装置的下塔液氧循环回路中内置多级低温分子筛吸附单元，直接将液氧中含量仅为百万分之几的氙氪组分连续吸附富集，不需要后续额外的复杂富集工序，单套空分装置的氙气提取效率直接提升到了96%以上，单位产能的能耗比传统工艺降低了70%。这套新工艺可以在不增加太多空分装置能耗的前提下，将单套空分装置的年产粗氙气能力提升到数百立方米，从源头彻底解决了粗氙原料的产能瓶颈问题。提取得到的粗氙气中还含有大量的甲烷、氮气、氧气、水等杂质组分，总杂质含量超过1%，根本无法直接作为航天推进剂使用。研发团队突破了120级超低温精密精馏+化学反应深度净化的组合提纯工艺，通过多级低温精馏将不同沸点的杂质组分依次分离，再通过高温化学反应床将氙气中的微量烃类杂质彻底氧化去除，最后使用低温吸附工艺将剩余的痕量水、二氧化碳等杂质完全脱除，最终得到的超高纯氙气产品的总杂质含量低于1ppb，产品纯度达到了99.99999%以上，所有技术指标全面超越国际同类进口产品的最高水平。
针对电推进系统的长寿命使用需求，国产超高纯氙气中的所有有害杂质组分都被控制在极致低的水平，特别是会在推力器通道内部沉积生成碳质污染物的总碳杂质含量，被控制在0.5ppb以下，使用这款国产氙气推进剂的霍尔推力器，连续累计工作18000小时后，推力器的通道内部几乎没有任何明显的污染物沉积，推力器的效率衰减不到2%，完全可以满足低轨卫星15年的全寿命在轨使用要求，推力器的实际工作寿命比使用进口氙气的推力器还要高出20%以上。针对氪气推进剂的大规模低成本应用需求，研发团队同步开发出了航天级超高纯氪气的全套提纯制备技术，氪气的单位成本仅为氙气的1/10，虽然原子量略低于氙气，但是完全可以满足低轨互联网星座卫星的轨道维持电推进需求，使用氪气作为推进剂可以将整个数万颗卫星星座的推进剂采购总成本降低80%以上，经济效益极其显著。在国内某低轨互联网星座的试验卫星在轨飞行验证中，应用国产氪气惰性推进剂的霍尔电推进系统，连续完成了17次轨道提升机动，将卫星从500公里的初始轨道精准提升到了1200公里的工作轨道，推力器的全程工作状态极其稳定，推进效率达到了设计指标的99%以上，完全验证了国产氪气推进剂的工程实用性。
目前我国已经建成了亚洲最大的航天级超高纯惰性推进剂规模化生产基地，年产航天级超高纯氙气超过10吨，超高纯氪气超过50吨，不仅完全可以满足我国未来低轨卫星互联网星座数万颗卫星的全部推进剂需求，产品还批量出口到了欧洲、东南亚等多个国家的航天企业，彻底扭转了过去我国航天级惰性推进剂完全依赖进口、价格高昂的被动局面。在此基础上研发团队还在开展更前沿的铋金属惰性推进剂技术研究，这种液态金属推进剂的原子量是氙气的数倍，电离效率更高，电推进的比冲可以达到5000N·s/kg以上，未来将应用于我国的载人火星探测任务，大幅缩短载人火星飞船的星际航行时间，为我国的深空探测事业提供更先进的电推进动力支撑。
分享到QQ 
微信扫一扫