源起基金關(guān)注領(lǐng)域——空間電推進(jìn)技術(shù)（三）
電推進(jìn)系統(tǒng)，也稱電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作原理是先將氙氣等惰性氣體轉(zhuǎn)化為帶電離子，然后把這些離子加速并噴出以產(chǎn)生推進(jìn)力，進(jìn)而完成航天器的姿態(tài)控制、軌道修正和軌道維持等任務(wù)。
國(guó)外電推系統(tǒng)應(yīng)用
自從1982年5月原蘇聯(lián)研制的SPT-70霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)首次成功應(yīng)用于GEO衛(wèi)星Kos-masl366東西位保任務(wù)以來(lái)，電推進(jìn)在國(guó)外各類航天型號(hào)任務(wù)得到了廣泛應(yīng)用，并且隨著電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和電推力器性能的不斷提升，使用電推進(jìn)系統(tǒng)的航天器日益增多，電推進(jìn)在航天器上所擔(dān)負(fù)的任務(wù)更是隨推力器性能的提高逐漸增強(qiáng)。
電推進(jìn)所承擔(dān)的在軌任務(wù)從應(yīng)用初期（1990年前后）單純的GEO衛(wèi)星東西位保或南北位保，發(fā)展到后來(lái)(2000年前后）的GEO衛(wèi)星在軌位保與軌道提升，中、低軌道衛(wèi)星軌道維持（大氣阻尼補(bǔ)償）以及深空探測(cè)主推進(jìn)等。進(jìn)入2010年后，以美國(guó)為代表的航天技術(shù)強(qiáng)國(guó)在高性能電推進(jìn)產(chǎn)品研制和航天應(yīng)用方面更是取得了重大進(jìn)展，由電推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)航天器在軌所有推進(jìn)任務(wù)(位置保持、軌道轉(zhuǎn)移等)的全電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)被完全掌握并進(jìn)入航天型號(hào)應(yīng)用階段。
目前，空間應(yīng)用最為廣泛的是靜電式電推進(jìn)，其中，霍爾電推進(jìn)、離子電推進(jìn)為當(dāng)前國(guó)際上研究和應(yīng)用的重點(diǎn)，在GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移和位置保持、深空探測(cè)器主推進(jìn)、低軌衛(wèi)星軌道維持等任務(wù)中大量應(yīng)用。
以下從GEO衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星、深空探測(cè)等方面介紹國(guó)內(nèi)外電推進(jìn)發(fā)展和應(yīng)用情況。
1、GEO衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移
地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星是目前電推進(jìn)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域，也屬于電推進(jìn)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。在國(guó)外已經(jīng)完成飛行和正在執(zhí)行飛行任務(wù)的所有使用電推進(jìn)的航天器中，90%以上都集中在這一領(lǐng)域，且基本上都是長(zhǎng)壽命通信衛(wèi)星。
美國(guó)波音公司在BSS-601HP平臺(tái)衛(wèi)星上應(yīng)用XIPS-13離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位置保持任務(wù)，共發(fā)射了近20顆衛(wèi)星。波音公司在BSS-702平臺(tái)上應(yīng)用XIPS-25離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部位置保持任務(wù)I3-4，共發(fā)射了20多顆衛(wèi)星。美國(guó)勞拉公司在LS-1300平臺(tái)上應(yīng)用SPT-100霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位置保持任務(wù)S，共發(fā)射了10多顆衛(wèi)星。
歐洲Astrium公司在EUROSTAR-3000平臺(tái)上應(yīng)用SPT-100和PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位置保持任務(wù)，共發(fā)射了近10顆衛(wèi)星。歐洲最新ALPHABUS平臺(tái)確定采用Snecma公司的PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位置保持任務(wù)。由波音公司研制的美國(guó)首個(gè)全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)BSS-702SP平臺(tái)的首發(fā)星（亞洲廣播公司的ABS-3A和墨西哥衛(wèi)星公司的Satmex7）預(yù)計(jì)將于2015年初采用一箭雙星方式發(fā)射。ESA也于2013年10月啟動(dòng)了歐洲第一個(gè)全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)Electra平臺(tái)的開發(fā)工作。該平臺(tái)基于德國(guó)OHB公司正在研制中的SGEO平臺(tái)開展研制，該平臺(tái)首顆衛(wèi)星(盧森堡歐洲衛(wèi)星公司衛(wèi)星）計(jì)劃將于2018年發(fā)射。
俄羅斯應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合體在MSS-2500等平臺(tái)上應(yīng)用SPT-100霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部位置保持任務(wù)，共發(fā)射了10多顆衛(wèi)星。俄羅斯的Express和Seset等通信衛(wèi)星采用直接入軌方式發(fā)射，利用電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌南北位保和東西位保，在概念上實(shí)現(xiàn)了全電推進(jìn)。
2、深空探測(cè)自主推進(jìn)
深空探測(cè)主推進(jìn)是最能體現(xiàn)電推進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的領(lǐng)域，也是電推進(jìn)最具發(fā)展和應(yīng)用潛力的領(lǐng)域，雖然目前已經(jīng)發(fā)射的以電推進(jìn)作為主推進(jìn)的深空探測(cè)器只有4個(gè)，數(shù)量不是很多，但就是這為數(shù)不多的幾次成功應(yīng)用，已經(jīng)向世人顯示了電推進(jìn)作為深空探測(cè)主推進(jìn)實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航飛行與控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
世界各航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)家針對(duì)未來(lái)更遠(yuǎn)距離深空探測(cè)使命，如水星探測(cè)、木星探測(cè)、海王星探測(cè)、彗星表面采樣返回以及載人深空探測(cè)等，已經(jīng)啟動(dòng)或正在開發(fā)和研制更高性能的大功率、超大功率電推進(jìn)系統(tǒng)。
當(dāng)前，世界航天技術(shù)強(qiáng)國(guó)均已經(jīng)制定了選用電推進(jìn)尤其是離子電推進(jìn)作為未來(lái)更遠(yuǎn)距離深空探測(cè)主推進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)與研制計(jì)劃，國(guó)外應(yīng)用電推進(jìn)開展深空探測(cè)的主要有美國(guó)、日本和歐洲。美國(guó)于1998年10月發(fā)射升空的DS-1航天器應(yīng)用NSTAR-30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成了小行星探測(cè)主推進(jìn)任務(wù)，2007年9月在Dawn航天器上應(yīng)用3臺(tái)NSTAR-30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成了對(duì)主帶小行星中Vesta和Ceres科學(xué)探測(cè)的主推進(jìn)任務(wù)，美國(guó)的下一代推力可調(diào)、功率范圍1~10kW的太陽(yáng)能電推進(jìn)離子推力器NEXT，高比沖、大功率、長(zhǎng)壽命核電氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)NEXIS和大功率的HiPEP；俄羅斯的STP-140和SPT-290等霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)。日本于2003年5月發(fā)射升空的隼鳥號(hào)航天器應(yīng)用4臺(tái)μ-10微波離子推進(jìn)系統(tǒng)完成了近地小行星絲川的采樣返回的主推進(jìn)任務(wù)（2-15)，計(jì)劃于2014年發(fā)射隼鳥二號(hào)繼續(xù)采用4臺(tái)μ-10微波離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成1999JU3小行星采樣返回的主推進(jìn)任務(wù)。歐洲于2003年9月發(fā)射的SMART-1航天器應(yīng)用單臺(tái)PPS-1350霍爾推進(jìn)系統(tǒng)完成了月球探測(cè)主推進(jìn)任務(wù)。
3、中低軌道航天器?拖曳控與?精度姿態(tài)控制
這一領(lǐng)域的航天器主要依靠電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)軌道阻尼補(bǔ)償，以保證航天器無(wú)阻尼飛行或運(yùn)行軌道、位置、姿態(tài)穩(wěn)定及其高精度調(diào)節(jié)等。對(duì)應(yīng)的航天器主要包括有高精度重力梯度測(cè)量衛(wèi)星、空間微重力試驗(yàn)衛(wèi)星、高精度遙感（對(duì)地觀測(cè)）衛(wèi)星以及對(duì)衛(wèi)星軌道與位置要求較高的小型衛(wèi)星、微小衛(wèi)星和星座組網(wǎng)衛(wèi)星等。
歐洲于2009年發(fā)射升空的GOCE衛(wèi)星應(yīng)用2臺(tái)T5離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成了240km軌道大氣阻尼補(bǔ)償任務(wù)6，繪制出了高精度的全球重力場(chǎng)分布。美國(guó)于2000年11月發(fā)射升空的EO-1成功應(yīng)用脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)完成了精確姿態(tài)控制任務(wù)，于2007年3月發(fā)射升空的FalconSat-3小衛(wèi)星應(yīng)用了Busek公司研制的微脈沖等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)完成了超精確無(wú)拖曳控制任務(wù)。
4、空間太陽(yáng)能電站軌道維持
所謂空間太陽(yáng)能電站軌道維持就是在空間軌道上將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過微波、激光等方式傳輸?shù)降孛嬖俎D(zhuǎn)化為電力以供地面使用的天地一體化系統(tǒng)。作為發(fā)電站，空間太陽(yáng)能電站上擁有豐富的電能資源，利用大功率的電推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)完成空間太陽(yáng)能電站位置保持、軌道維持等任務(wù)，其優(yōu)勢(shì)是其它任何推進(jìn)系統(tǒng)都無(wú)法比擬的。
國(guó)內(nèi)電推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用
我國(guó)航天發(fā)展計(jì)劃對(duì)電推進(jìn)已經(jīng)提出了明確的應(yīng)用需求，主要的需求領(lǐng)域包括地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星位置保持和軌道提升，全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)，近地小行星探測(cè)主推進(jìn)，超靜衛(wèi)星平臺(tái)無(wú)拖曳控制，中、低軌道航天器軌道維持，火星以遠(yuǎn)深空探測(cè)主推進(jìn)等。目前應(yīng)用需求最為迫切的主要集中在以下領(lǐng)域：GEO衛(wèi)星平臺(tái)衛(wèi)星位置保持和軌道提升、全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)、中等軌道航天器軌道維持、近地小行星探測(cè)等。
1、GEO衛(wèi)星位置保持和全電推進(jìn)
目前，我國(guó)已經(jīng)明確應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)航天器部分或全部在軌推進(jìn)的任務(wù)主要包括中等容量GEO衛(wèi)星平臺(tái)、大容量GEO衛(wèi)星平臺(tái)、全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)及空間站等。
2023年1月13日凌晨，亞太6E衛(wèi)星由長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，這是我國(guó)基于全電推平臺(tái)——東方紅三號(hào)E平臺(tái)研制的一顆國(guó)際商業(yè)高通量通信衛(wèi)星。
2、近地??星探測(cè)等深空探測(cè)主推進(jìn)
中國(guó)小行星探測(cè)任務(wù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)Tukimit小行星的飛越探測(cè)，對(duì)Apophis小行星的伴飛以及對(duì)1996FG3小行星的附著探測(cè)。推進(jìn)方式擬采用電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)相結(jié)合的方式。電推進(jìn)提供巡航階段軌道控制所需的速度增量，化學(xué)推進(jìn)進(jìn)行姿態(tài)控制，并完成伴飛和附著段的軌道控制。小行星探測(cè)器巡航階段軌道控制所需的速度增量不小于5.6km/s。深空探測(cè)器采用電推進(jìn)系統(tǒng)作為主推進(jìn)，可以極大提高航天器的有效載荷能力。深空探測(cè)任務(wù)對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)要求主要體現(xiàn)在大范圍多點(diǎn)工作模式和長(zhǎng)壽命方面，當(dāng)然，在多模式的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大推力可以縮短探測(cè)器飛往探測(cè)目標(biāo)的飛行時(shí)間，降低電推進(jìn)系統(tǒng)壽命要求，實(shí)現(xiàn)高比沖也可有效提高探測(cè)器的有效載荷能力或減少推進(jìn)劑攜帶量。
3、低軌航天器?拖曳控制和軌道維持
高精度引力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星需要衛(wèi)星平臺(tái)達(dá)到非常高的微(零）重力水平，電推進(jìn)系統(tǒng)可通過推力的連續(xù)和精確可調(diào)，補(bǔ)償衛(wèi)星在某個(gè)方向或全部方向上的非慣性力(如大氣阻尼），實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星無(wú)拖曳飛行控制。我國(guó)正在論證中的重力梯度衛(wèi)星將是第一顆計(jì)劃采用電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)拖曳控制的航天器。另外，高精度對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、微重力試驗(yàn)衛(wèi)星以及其它類型的科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)無(wú)拖曳飛行均具有廣泛的應(yīng)用需求。低軌和超低軌衛(wèi)星因軌道大氣阻力的作用，其運(yùn)行軌道會(huì)隨時(shí)間不斷降低，利用電推進(jìn)系統(tǒng)小推力特點(diǎn)可對(duì)軌道大氣阻力實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確補(bǔ)償，確保航天器運(yùn)行軌道的穩(wěn)定。該領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)的推力、比沖與壽命的要求并不是很高，但由于此類航天器能夠提供的電功率有限，因此，要求電推進(jìn)系統(tǒng)功率不能太高。按照國(guó)外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于低軌和超低軌小型衛(wèi)星的軌道維持應(yīng)用，電推進(jìn)系統(tǒng)功率一般應(yīng)在300W左右。
2020年6月，銀河航天首發(fā)星搭載了電推進(jìn)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)首發(fā)星的初始入軌調(diào)整、長(zhǎng)期軌道保持、壽命末期離軌處理（減少太空垃圾）。這是電推進(jìn)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)首次在低軌小衛(wèi)星上使用。
2022年，我國(guó)獨(dú)立自主建造運(yùn)營(yíng)的載人空間站核心艙上配置了4臺(tái)霍爾電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，這是人類載人航天器上首次使用電推進(jìn)。
2022年10月13日，由蘭州空間技術(shù)物理研究所（即510所）完全自主研制的300瓦級(jí)LHT-40霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)在微厘空間北斗導(dǎo)航增強(qiáng)星座S5衛(wèi)星上完成首次在軌測(cè)試。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能指標(biāo)全面滿足用戶需求，為國(guó)內(nèi)小功率霍爾電推進(jìn)產(chǎn)品在北斗系列導(dǎo)航任務(wù)中的應(yīng)用拉開了序幕。
4、(超)低軌?衛(wèi)星編隊(duì)飛?及(微)?衛(wèi)星精確軌道控制
為完成低軌和超低軌小衛(wèi)星編隊(duì)飛行、小衛(wèi)星與微小衛(wèi)星精確軌道維持、軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制任務(wù)，要求電推進(jìn)系統(tǒng)的輸出沖量精確可控（輸出推力小、控制精度高）。從目前各種電推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，小推力甚至于微推力水平的場(chǎng)致發(fā)射推力器（FEEP，0.001~10mN）、脈沖等離子體推力器（PPT，0.005~20mN）、膠體離子推力器（Colloid，0.001~0.5mN）、微小功率射頻離子推力器（RFIT，0.001～20mN）和微波離子推力器（ECRIT，0.001～20mN）是執(zhí)行此類任務(wù)的最佳選擇。
5、空間太陽(yáng)能電站軌道維持
空間太陽(yáng)能電站作為解決人類能源問題的有效途徑之一，已成為世界范圍的研究熱點(diǎn)。國(guó)外正在開展針對(duì)該領(lǐng)域應(yīng)用需求的大功率電推進(jìn)系統(tǒng)研制工作。我國(guó)也已經(jīng)將空間太陽(yáng)能電站確立為國(guó)家新能源戰(zhàn)略目標(biāo)之一并啟動(dòng)了關(guān)鍵技術(shù)論證工作。大功率電推進(jìn)系統(tǒng)作為大型航天器在軌運(yùn)行的重要支撐技術(shù)，在我國(guó)未來(lái)空間太陽(yáng)能電站建設(shè)中具有顯著的應(yīng)用需求。
未來(lái)我國(guó)重力梯度衛(wèi)星、空間微重力試驗(yàn)衛(wèi)星等無(wú)拖曳飛行控制、深空探測(cè)以及低軌和超低軌衛(wèi)星軌道維持、小衛(wèi)星編隊(duì)飛行、微小衛(wèi)星精確姿態(tài)控制等背景型號(hào)領(lǐng)域電推進(jìn)也將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景，盡管現(xiàn)階段這些領(lǐng)域的需求并不是特別迫切和清晰，尚未正式列入國(guó)家航天技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用計(jì)劃，但在未來(lái)10~20年，甚至更短時(shí)間內(nèi)，隨著我國(guó)航天任務(wù)的不斷推進(jìn)和電推進(jìn)應(yīng)用的深化，電推進(jìn)在這些領(lǐng)域完全有可能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。
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