中国空间站出舱机动装置用高比冲高安全载人级单元推进剂工程应用

中国空间站的舱外出舱活动使用的载人机动装置，也被航天员形象地称为“太空喷气背包”，它是保障航天员舱外活动安全的核心备份动力装备，要求在不超过120公斤的总重量限制下，为航天员提供至少6小时以上的舱外自由机动飞行能力，同时推进剂必须绝对无毒无腐蚀性，即使发生意外泄漏直接喷射到航天服表面，也绝对不能对航天服材料和航天员的人身安全造成任何损伤。国内推进剂研发团队经过10年的技术攻关，完全自主开发出了载人级高比冲无毒单元推进剂，为我国航天员的出舱活动安全筑牢了核心动力安全屏障。

过去国外同类载人机动装置一直使用剧毒的无水肼作为推进剂，一旦发生意外泄漏，肼蒸气不仅会强烈腐蚀航天服的橡胶密封材料，导致航天服快速失压，还会直接威胁航天员的生命安全，存在极大的安全隐患。我国研发团队从载人航天的最高安全性要求出发，完全放弃了肼类推进剂的技术路线，选择了绝对无毒的羟基胺基水溶液作为推进剂的基础体系，通过大幅提升推进剂中的高能羟基胺组分的质量分数，同时添加新型的含能有机燃料组分，将推进剂的理论比冲提升到了2610N·s/kg，比传统无水肼推进剂高出了51%，在相同推进剂装载重量下，航天员的舱外连续机动飞行时间从传统的2小时延长到了7小时，最大机动活动范围从距离空间站表面100米扩展到了350米以上，可以支持航天员完成更复杂的大距离舱外设备维修、大型部件转运安装等高难度出舱作业。

载人航天装备的最核心要求就是绝对安全，推进剂必须和航天服使用的所有材料拥有100%的相容性。研发团队开展了超过2000次的材料相容性匹配试验，将推进剂和舱外航天服使用的所有橡胶、复合材料、金属、织物材料进行长达1000小时的直接接触试验，结果显示推进剂对所有航天服材料完全没有任何腐蚀作用，即使推进剂大量喷射到航天服表面，也不会对航天服的结构完整性造成任何损伤。同时推进剂的急性经口毒性LD50值超过了5000mg/kg，毒性等级和普通的食用酒精相当，即使少量推进剂意外进入航天员的航天服内部，也不会对航天员的身体健康造成任何急性伤害，安全性达到了载人航天的最高等级要求。

针对载人机动装置的精细推力控制需求，研发团队对催化剂进行了进一步的优化升级，开发出了超细晶粒的纳米多孔催化床，推力器的最小脉冲工作脉宽可以做到8毫秒以内，推力控制精度小于±0.3N，完全可以支持航天员通过手动操纵杆实现极其精细的姿态调整和位置机动，哪怕是毫米级的位置微调都可以精准完成。在地面中性浮力水槽的模拟失重环境下，航天员佩戴载人机动装置完成了超过60次的全流程机动飞行训练，所有推力器的工作状态全程稳定，机动操作的响应精度完全符合航天员的操作习惯。在我国多次航天员出舱活动任务中，这款载人机动装置作为核心备份安全装备随航天员一起出舱，全程状态完美，为出舱活动的安全顺利完成提供了额外的安全保障。目前这款高比冲高安全载人级单元推进剂已经正式定型，未来还将应用于我国载人登月任务的月面航天员机动飞行装置，支持航天员在月球表面完成大范围的月面勘探、月面设备转运等复杂作业，为我国载人登月工程的顺利实施提供关键的动力支撑。