《力学园地》编辑部：

　　在你们的园地上，读到两篇涉及微推力器的文章（如马隆飞、贺建武等作者撰写的微牛级推力器），能否介绍一下更多的相关知识呢？ 

　　                                       一名业余的航天爱好者

　　                                                  2021年12月25日

太空微力的洪荒之力

李飞

　　现在连小学生都知道，把航天器送上太空，要用推力巨大的运载火箭，因为地球对所有的物体都有引力（或者说，重力）来阻止物体飞离地表。航天器进入环绕地球的运行轨道后，由于受到大气阻力的作用，它的轨道会慢慢下降。尽管运行轨道处的大气已经十分稀薄了，空气的阻力不大了，但是依然会使航天器的飞行速度减小，这样它的离心力减小，在重力作用下轨道高度就会降低。 

图1 中国空间站（图片来源：搜狗百科）

　　例如，2021年中国成功将空间站的天和核心舱送入高度约为400公里的近地轨道，拟定在2022年全部建成空间站，计划在轨服务10年。在这样的轨道高度上，科学家估算了大气的阻力大约为4.6毫牛（1毫牛=0.001牛顿），那么我们不难算出空间站的高度每天要降落大约70米。一年下来就会超过25千米！那10年寿命的空间站就无法完成它的使命啦！所以，要通过轨道动力系统抬升空间站，以维持轨道高度。 

图2 天和核心舱及其轨道维持发动机（图片来源：搜狗百科）

　　除此之外，为了提高发电效益，太阳帆板要求保持对日的指向，空间站上需要设置转动机构。为了完成和梦天、问天实验舱以及神舟、天舟飞船的精准交会对接，空间站上也需要设置姿态控制机构。所以空间站里会有各种类型的轨控和姿控发动机来提供必要的动力。 

图3 空间站组合体交会对接（图片来源：搜狗百科）

　　当然，这类姿轨控发动机和运载火箭相比，简直就是小巫见大巫啦！运载火箭结构庞大、推力巨大，姿轨控发动机小巧玲珑、推力微小。所以，后者常被叫做“微推力器”。以维持轨道高度的功能为例，空间站受到的阻力只有5毫牛（mN）量级，这个小火箭只需要能提供5-10毫牛的平均推力来克服这个阻力，就可以保证完成任务啦！5毫牛的力有多大呢？它是一个非常小的力，日常生活中很难接触到这么小的力。大家也许知道，1只蚂蚁的重量大约是50毫克，如果我们用手托住10只蚂蚁，需要付出的力大约是5毫牛，因为依照力学的定义，1牛顿（N）=1千克*9.8米/秒。这么小小的托力，3岁孩子的小手都可以做到吧？ 

图4 宝宝们在看小蚂蚁（图片来源：搜狗百科）

　　国人常用“不费吹灰之力”来形容做事情简易。如今航天器姿态发动机的推力在地球上大概只能用来“吹灰”了，我们不妨称之为“微力”。可别小瞧它啊!微推力器的微力，在太空里能够发挥洪荒之功！前面提到的维持空间站轨道高度的微推力器，是保障空间站工作10年的法宝，功劳很不小的。再如，在大气条件下，一个普通小朋友的吹气冲量是65毫牛秒（mN·s），换算为太空条件，这个65毫牛秒的冲量可以让量子卫星跑5万公里。所以，一个很小的力在太空中可以让一个重达数百公斤的卫星飞行很远的距离。 

　　目前常用的微推力器主要有三种。一种是所谓的冷气推力器，它实际上非常简单，就是一个高压气瓶里面装满了高压的气体，当打开一个阀门让气体排出的时候，就能产生推力，这个推力的作用就类似我们吹一口气。另外一种是化学推力器，它的工作原理就是利用化学物质燃烧产生的高温高压气体喷出，产生推力。还有一种是电推力器，这是相对比较复杂的一种推力器，它通过放电将电能转化为气体内能，再通过喷管或磁场加速气体来产生推力。 

图5 三种类型的微推力器（图片来源：搜狗百科和必应图片）

　　科学家怎样来测量这么微小的推力呢？他们研制了微推力台架，十分精密，甚至可以测试吹气的力到底有多大。这个台架已经在我国航天部门的地面实验里应用过，为我国卫星姿轨控发动机的研发做出了贡献。 

图6 力学所研制的微推力台架

　　从本质上讲，这个微推力台架就是一个高度的天平的扭摆系统。它的基本原理就是通过把力转化为位移进行测量，它的测力范围为1-1000毫牛（mN），可以做毫牛量级的微力测试。这个台架非常灵敏，周围人的走动都会影响到台架的稳定性，所以工作期间必须保持环境的安静。此外，还要为它增设一个阻尼系统，目的是能让这个台架在工作情况下迅速停下来，以便进行下一次实验。如果没有阻尼的话，它可以在空气中摆动大约半个小时才能够停下来，但是加了阻尼以后，大约就几秒钟就可以停下来了。

　　总之，太空威力的作用是巨大的，它能够让空间站的核心舱和飞船精准地对接在一起，它也能让科学实验卫星开展精密的空间实验，它还能够推动火星探测器以及其他深空飞行器飞向遥远的星球，去探索未知的太空。