早安，各位看官！昨天聊光的本質，很多朋友在看到毛玻璃一截之后就出神了，這是我筆者的過錯，沒有認真為科普獻身。

今天我們來聊點輕松的話題，太空中的飛船是如何再獲得驅動力的？

還是先來做一個開篇提問：“我們的航天員能否駕駛中國空間站飛到月球去？成為月球軌道空間站？”（文末解答）歡迎大家一起討論。

火箭燃料

任何的飛船在進入環地球軌道之前，都是先從大氣層內，要么從地表，要么從高空中，通過火箭燃料發動機的推力克服地球的引力飛出大氣層的。

運載火箭使用什么動力把航天器送上太空的呢？

從物理形態上講，火箭發動機使用的推進劑有兩種形式，一種是液態物質，另一種是固態物質。以液態燃料來說，有煤油、酒精、偏二甲肼、液態氫等作為燃燒劑，而用液態氧、四氧化二氮等等提供的氧化劑幫助燃燒的，人們習慣上把燃燒劑和氧化劑通稱為火箭發動機的燃料或推進劑。

肼（N2H4），又稱聯氨，為無色油狀液體，有類似于氨的刺鼻氣味，是一種強極性化合物。能很好地混溶于水、醇等極性溶劑中，與鹵素、過氧化氫等強氧化劑作用能自燃，長期暴露在空氣中或短時間受高溫作用會爆炸分解，具有強烈的吸水性。

有毒的還是無毒的？

以火箭燃料為標準，科研領域燃料最好是無毒無污染的，比如早期火箭燃料硝酸-27s+偏二甲肼，也有四氧化二氮+偏二甲肼，但偏二甲肼不僅易燃易爆還有劇毒，不過好處是可以常溫存放，因此到現在老的液體火箭或導彈還在采用，衛星商用發射考量成本，都打仗了還用啥環保的？（人類就是這么現實）

紅棕色煙霧是偏二甲肼和四氧化二氮的特征

無毒燃料則主要以液氧煤油為主，煤油容易保存，而且火箭用的煤油與航空煤油差別不大，是公認的火箭環保燃料。

比液氧煤油更環保的是液氧液氫，這倆燃燒后就是水，而且還是純凈水，火箭一發射完，直能變成雨的直接落地了，在高空中的，直接變云柱！最環保的無疑就是這種了，但液氫不僅需要低溫保存，而且密度只有煤油的10%，液氫的火箭燃料罐體積太龐大，這直接導致低溫火箭體積比常溫火箭要大得多。

比如我們中國自己研究的登月火箭CZ-9，一級火箭將使用12臺YF-130，此前的CZ-9的構型是這樣的：

• 助推器：數量4個，每個助推器為2臺高壓補燃液氧煤油發動機（YF-130）
• 芯一級火箭：4臺YF-130；高壓補燃液氧煤油發動機
• 二級火箭：2臺220噸級高壓補燃氫氧發動機（YF-90）；
• 三級火箭：4臺25噸級膨脹循環氫氧發動機（YF-79）；

經過這么一頓猛如虎的操作下來，衛星也好，飛船也罷，都順利進入環地球軌道了。

490N（牛）軌道控制發動機

這里以我們的“太空重卡”天舟貨運飛船來舉例，天舟系列貨運飛船主要用于對中國空間站在軌運行期間，提供補給支持。天舟貨運飛船發射質量約13噸，最大可承運6.9噸上行補給物資，載貨比高達5.1。

在整個天舟貨運飛船上一共有安裝了36臺發動機，其中包括4臺軌控發動機（位于尾部的4臺490N軌道控制發動機）在抬升貨運飛船軌道和變軌的過程中，需要靠這4臺大功率的發動機來實現。

490N發動機

而飛船上的這種490N發動機，使用的是雙組元推進系統。該發動機的推進劑為四氧化二氮(N2O4) 和甲基肼，其真空推力為490N，主要用來進行軌道調整，比如爬高。

氮氣推進

早期的衛星，由于推進技術還不成熟，多使用高壓冷氣推進，而這里的冷氣主要是氮氣。不僅是衛星，其他航天器比如前蘇聯的“東方一號”載人飛船、美國的“空間實驗室”也用到了冷氣推進。冷氣推進的優點是安全可靠，無污染，但是推進動力小，性能低下。目前我國有一小部分衛星依然還在使用高壓氮氣推進方式。

加加林乘坐的東方一號，黑色的圓球就是高壓氮氣瓶

姿態控制發動機RCS

飛船或衛星上的主發動機，主要作用是干"體力活兒"的，只能在一個方向上提供較高推力，不適合干一些精細活兒。因此當飛行器調整姿態，比如轉身，或者交匯對接時，就不能使用主發動機了。這時就需要用一些特殊設備，微調航天器的姿態和速度，也就是RCS系統。

RCS系統噴流

RCS是一些布置在航天器四周，擁有多個噴口的設備，但它們的個頭都很小，因此不太引人注意。由于不同噴口的開啟能隨意控制，從而可以借助不同噴口之間的配合，給航天器改變姿態提供動力，讓航天器可以指向任意方向，并在任意方向上加減速。

RCS本身也有細分。由于對接過程是循序漸進的，RCS也有大小兩種推力設計。當姿態改變較大時就用大推力，反之就用小推力。

以神舟飛船為例，粗略姿控系統有150N的推力，精確姿控系統只有5N。而且粗略控制噴口只有8個，精確控制噴口有16個之多，更精細。

天舟貨運飛船的姿態控制發動機

中國空間站“天和”核心艙，帶有4臺軌道控制發動機，也就是主發動機，還有22臺姿態控制發動機（RCS），另外還有4臺霍爾電推力發動機，作為輔助。總共30臺發動機，可以精確控制幾十噸重的大家伙在太空中調整姿態、改變軌道。

噴出的是啥？

衛星和航天器上是“寸土寸金”軌道控制火箭需要較大推力那沒辦法，使用2套系統的混合燃料也必須用，但姿態控制RCS作為迷你火箭，必須把結構和可靠性都做到極致。一點多余的空間和重量都不能浪費，所以用一種燃料一套系統能做到的絕不會用兩套。

有些液體，平常相對穩定，但在催化劑的作用下會迅速分解，產生熱量和氣體。比如過氧化氫，在鉑催化劑的作用下可以迅速分解成水蒸氣和氧氣。因此只需要使用一種燃料就能滿足需求，它就是第一代RCS燃料。

但是過氧化氫燃料推力比沖低，攜帶重量大，所以也不是很理想。后來出現了聯氨推進劑。

比如我國的神舟系列，使用的單組元推進劑是【肼】，也叫聯氨，相比過氧化氫，比沖更高，能長期儲存。但這種物質需要特殊的催化劑，想研制高效催化劑，那可是一個龐大的課題。

催化床

還有一種ADN推進劑，是20世紀70年代由前蘇聯合成出的一種高能量密度的材料，是能量密度高，不含鹵素的白色結晶物。ADN推進劑由61%的ADN劑料和26%的水和13%的甘油混合而成。

再后來,在美國NASA執行的一項“先進的單元推進劑計劃”中,因羥基推進劑具有冰點低、密度比沖高、安全無毒的特點,且在常壓下不敏感,存貯安全,無著火與爆炸的危險,可減少運輸和貯存的安全性管理要求,因而被NASA作為新一代的無毒單元推進劑進行研究與試驗。

硝酸羥銨本身為固態、富氧的推進劑,其分子式為NH3OH·NO3。它和燃料可一起溶解在水中,形成比較穩定的混和物——羥基推進劑,不產生有毒蒸汽,也無致癌危險。

技術在不斷升級進步，比如我們新的載人返回艙，使用的RCS姿態控制發動機。使用的就是HAN基無毒無污染推進劑，維護性更佳，進一步利好重復使用。

返回艙的RCS姿態控制發動機

RCS姿態控制發動機

RCS姿態控制發動機噴口尺寸

電推進系統

電推進火箭發動機是利用電能加速工作介質，形成高速射流而產生推力的火箭發動機。與化學火箭發動機不同，電火箭發動機的能源和工質是分開的：其電能由飛行器提供，一般由太陽能、核能或化學能經轉換裝置得到；其工質常采用氫、氮、氬或堿金屬(銫、汞、銣、鋰等)的蒸氣。電火箭發動機的比沖極高、壽命極長。

霍爾電推

電火箭發動機加速方式可分為三種類型——電熱火箭發動機、靜電火箭發動機、電磁火箭發動機。(其中靜電火箭發動機常被稱作"離子發動機"，是近些年各國航天學家的重點研究對象)

最核心的離子推進器，其原理是先將氣體電離，后用電場力將帶電的離子加速后噴出，繼而產生推力。而肼增強推力器就是單組元肼發動機中分解出高溫氮氣、氫氣等氣體后，這些氣體再次通過電阻加熱器加熱，進一步提高燃氣的溫度。電弧推力器則是通過電弧加熱氣體，氣體受熱膨脹高速噴出從而產生推力。

推力太小仍需努力

而離子推力器不需要攜帶推進劑，因此，可以大幅降低衛星重量，并延長在軌時間。當然，它同時也要付出代價。例如，若使用化學發動機，那么衛星從發射到定點就位只要一周或兩周時間，但使用全電推進的話，此過程將耗費4到9個月，可謂龜速。不過，對于在軌十幾年的通信衛星來說，犧牲五六個月的時間是可以接受的。

飛向月球

回答開篇問題：“我們的航天員能否駕駛中國空間站飛到月球去？成為月球軌道空間站？”

回答：同為空間飛行器，中國空間站不過是一個放大版的嫦娥二號。理論上空間站只要燃料夠，是可以完成地月軌道轉移的。空間站的軌道保持發動機和姿態發動機共向開機，是有足夠推力讓空間站加速到轉移軌道。

嫦娥二號軌道

嫦娥二號

嫦娥二號衛星重量為2480公斤；攜帶的燃料為1300多公斤。

中國空間站建成后的重量是180噸；單問天實驗艙攜帶的燃料為1.5噸。

在太空中來說，推動嫦娥2.4噸和推動空間站180噸需要的推力可以是相同的，唯一不同的是加速度不同。同樣的推力下，空間站加速慢，嫦娥加速快。

只不過空間站的設計是為了在400公里高度工作運行而用的，如果變軌飛向月球，沒有相應的深空通訊設備支持，也沒有深空定向設備輔助。會讓航天員非常難控制。但是未來的月球探測中，是有可能出現月球軌道空間站的。

地月轉移軌道

梵觀點：極端情況下，駕駛空間站飛離地球是可能的。