源起基金關(guān)注領(lǐng)域——空間電推進(jìn)技術(shù)（八）
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)。
行業(yè)關(guān)鍵因素
1.低軌衛(wèi)星星座建設(shè)需求
到2029年，地球近地軌道將部署總計(jì)約5.7萬(wàn)顆低軌衛(wèi)星，但低軌道只能容納約6萬(wàn)顆衛(wèi)星，資源稀缺性強(qiáng)。低軌衛(wèi)星所主要采用的Ku及Ka通信頻段資源也逐漸趨于飽和狀態(tài)，可用空間十分緊張。
若目前已獲批準(zhǔn)的通信星座全數(shù)建設(shè)完畢，地球低軌的有效資源將所剩無(wú)幾。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期的當(dāng)下階段，戰(zhàn)略布局通信衛(wèi)星正常運(yùn)行先決條件的空間軌道和頻段，加快“搶占”重點(diǎn)太空資源，構(gòu)建中國(guó)“星鏈”是十分必要且緊急的事情。而電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)成為低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置。
2.航天器對(duì)高比沖推進(jìn)技術(shù)的需求
隨著小衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、行星探測(cè)器，及深空探測(cè)、星際航行等空間探測(cè)技術(shù)的興起，要求航天器上的推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量更輕、體積更小、效率更高，因此開(kāi)展比沖高、構(gòu)造緊湊、消耗工質(zhì)少、本錢低廉的推進(jìn)系統(tǒng)已成為航天技術(shù)開(kāi)展的迫切需要。而電推進(jìn)技術(shù)的推進(jìn)劑比沖要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，是其幾倍乃至十幾倍的效率，高比沖的電推進(jìn)能夠大大減少所需的推進(jìn)劑，從而增加航天器的有效載荷。從而縮小航天器尺寸，降低運(yùn)載火箭發(fā)射要求，尤其適用于深空探測(cè)、星際航行等長(zhǎng)時(shí)間在軌飛行。
行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)分析電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀可以判斷，電推進(jìn)正朝多模式、長(zhǎng)壽命、大功率的方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在進(jìn)一步拓展，全電推進(jìn)成為GEO平臺(tái)等發(fā)展的重要方向，微小功率電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展種類逐漸增多，且在低軌衛(wèi)星上的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
隨著人類空間探測(cè)的深度、廣度不斷擴(kuò)展，以及電推進(jìn)技術(shù)本身的持續(xù)提升，電推進(jìn)正在向更多模式、更大功率、超高比沖、更高性能精度、更低成本等方向發(fā)展，以適應(yīng)不同種類的空間任務(wù)的需求。
1.向更多模式方向發(fā)展提高任務(wù)適應(yīng)能力
以千瓦級(jí)離子電推進(jìn)、霍爾電推進(jìn)為代表的現(xiàn)有電推進(jìn)，一般只能單模式工作，即只有一個(gè)工作點(diǎn)，功率、推力、比沖等性能不變，因此，只能承擔(dān)在軌位保等單一任務(wù)，任務(wù)擴(kuò)展、適應(yīng)能力較弱。近年來(lái)，不斷發(fā)展的GEO衛(wèi)星平臺(tái)，其軌道轉(zhuǎn)移、位置保持、姿態(tài)控制、離軌等任務(wù)，要求電推進(jìn)完成其中大部分任務(wù)甚至全部任務(wù)，不同任務(wù)對(duì)電推進(jìn)的功率、推力和比沖等性能需求差異大，深空探測(cè)任務(wù)的不同階段對(duì)執(zhí)行主推進(jìn)的電推進(jìn)性能要求也不盡相同，這就要求電推進(jìn)必須具備多模式工作能力。
目前，美、俄、歐等新研發(fā)的電推進(jìn)幾乎都具有多模式能力，任務(wù)適應(yīng)能力強(qiáng)。如美國(guó)BPT-4000多模式霍爾推力器，功率調(diào)節(jié)比可達(dá)22：1，能夠適應(yīng)GEO平臺(tái)、全電推進(jìn)平臺(tái)和深空探測(cè)主推進(jìn)等多種任務(wù)的需求。
2.向更大功率方向發(fā)展適應(yīng)大型空間任務(wù)
當(dāng)前，1~5kW量級(jí)中等功率霍爾推力器、離子推力器已經(jīng)成熟應(yīng)用于GEO衛(wèi)星、深空探測(cè)器等，而以HERMeS、SPT-290、NASA-400M等為代表的數(shù)十千瓦級(jí)霍爾推力器，已經(jīng)達(dá)到工程樣機(jī)水平，并且被列入空間任務(wù)規(guī)劃，HERMeS霍爾推力器將應(yīng)用于小行星重定向任務(wù)，NASA-400M 霍爾推力器將于2019年后應(yīng)用于低軌貨運(yùn)飛船軌道轉(zhuǎn)移、ISS近地軌道空間飛行任務(wù)等。隨著空間核電技術(shù)的突破，空間功率將不再首先，因此，預(yù)計(jì)5~10a內(nèi)，將實(shí)現(xiàn)數(shù)十千瓦級(jí)的大功率霍爾電推進(jìn)的空間應(yīng)用。
與此同時(shí)，未來(lái)更大型的空間任務(wù)，如載人火星、大型火星貨運(yùn)、行星際探測(cè)等任務(wù)，對(duì)更大功率的霍爾電推進(jìn)提出了需求，要求功率需達(dá)到數(shù)百千瓦，甚至兆瓦級(jí)，以減小航天器規(guī)模，以便能夠完成化學(xué)推進(jìn)難以甚至無(wú)法完成的大速度增量深空探測(cè)任務(wù)，擴(kuò)展空間探索距離。
在此需求牽引下，電推進(jìn)也正在朝著單臺(tái)推力器實(shí)現(xiàn)高于100kW的大功率方向發(fā)展。例如，D-160已經(jīng)驗(yàn)證了在140kW功率下工作的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)功率240kW的X3霍爾推力器，也已經(jīng)驗(yàn)證了在102kW功率下工作的性能。大功率磁等離子體電推進(jìn)（MPD、VASIMR），其功率正在向MW級(jí)發(fā)展。
3.向超高比沖方向發(fā)展
國(guó)內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星對(duì)商用電推進(jìn)的技術(shù)驗(yàn)證和技術(shù)創(chuàng)新，從未停歇。對(duì)于我們來(lái)說(shuō)，電推進(jìn)的比沖越高，在執(zhí)行空間任務(wù)期間所需的推進(jìn)劑就越少，可以帶來(lái)航天器的質(zhì)量效益，甚至可以使一些化學(xué)推進(jìn)和現(xiàn)有電推進(jìn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的任務(wù)變得可行。目前正在發(fā)展和應(yīng)用的電推進(jìn)技術(shù)，其中微小功率的新型場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)，其比沖最高已經(jīng)可達(dá)到10000s左右，大幅降低執(zhí)行任務(wù)所需的推進(jìn)劑量，減小系統(tǒng)總質(zhì)量，已在微小衛(wèi)星上的得以應(yīng)用。
目前成熟應(yīng)用的中等功率霍爾電推進(jìn)、離子電推進(jìn)，其比沖一般在1500~3500s范圍內(nèi)，可滿足當(dāng)前的空間任務(wù)需求。
但是，隨著航天技術(shù)發(fā)展和航天任務(wù)規(guī)劃，未來(lái)大型空間貨物運(yùn)輸、大型載人/無(wú)人深空探測(cè)等任務(wù)，要求電推進(jìn)的比沖需要達(dá)到8000s左右，功率也需達(dá)到百千瓦量級(jí)。現(xiàn)有的微小功率、中功率電推進(jìn)均無(wú)法滿足要求，因此，超高比沖成為大功率電推進(jìn)的重要發(fā)展方向之一。
正在發(fā)展的幾種大功率電推進(jìn)技術(shù)中，離子電推進(jìn)的推力密度和推力功率比均較低，導(dǎo)致其功率超過(guò)50kW后的推力器尺寸過(guò)大，在工程上難以實(shí)現(xiàn)；霍爾電推進(jìn)的技術(shù)成熟度高，因此，仍然是重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)之一。目前，已研制的大功率霍爾推力器單臺(tái)設(shè)計(jì)功率已達(dá)240kW，試驗(yàn)驗(yàn)證功率為102kW。在超高比沖方面，采用雙級(jí)陽(yáng)極層霍爾推力器設(shè)計(jì)的超高比沖推力器VHITAL-160，其驗(yàn)證比沖高達(dá)7667s，可滿足深空探測(cè)任務(wù)需求。
大功率磁等離子體電推進(jìn)（MPD、VASIMR）也是超高比沖電推進(jìn)重要技術(shù)方向，其比沖均可達(dá)到8000s以上，目前已驗(yàn)證的MPD推力器最高比沖超過(guò)9000s。MPD、VASIMR電推進(jìn)適合的單臺(tái)功率在數(shù)百千瓦至兆瓦量級(jí)，特別是VASIMR電推進(jìn)，在百千瓦功率量級(jí)其性能較差。同時(shí)，兩者的技術(shù)成熟度目前較低，需要繼續(xù)深入研究和驗(yàn)證，解決壽命、磁路、性能等限制因素，為未來(lái)的空間應(yīng)用夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。
4.向高精度可調(diào)節(jié)方向發(fā)展
電推進(jìn)具備推力精確可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，但是隨著航天規(guī)劃、空間探索任務(wù)的不斷發(fā)展和提升，要求推進(jìn)系統(tǒng)所需執(zhí)行空間任務(wù)的控制精度要求越來(lái)越高，如微小衛(wèi)星組網(wǎng)、重力梯度測(cè)量、引力波探測(cè)等高精度空間任務(wù)，均需要推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行精確的姿態(tài)控制、擾動(dòng)精確補(bǔ)償?shù)取Ｔ摲N類型任務(wù)，不僅化學(xué)推進(jìn)無(wú)法完成，霍爾、離子等常規(guī)電推進(jìn)也很難完成，因此，對(duì)高精度性能調(diào)節(jié)的電推進(jìn)技術(shù)需求變得明確而迫切。
針對(duì)上述需求，國(guó)際上正在發(fā)展多種新型的電推進(jìn)技術(shù)，不僅將電推力器的推力下探至微牛量級(jí)，而且推力的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)更高的精度，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。此外，也在發(fā)展脈沖工作式電推進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)的元沖量精確控制等。
例如，歐洲研制的In-FEEP-25衛(wèi)星場(chǎng)發(fā)射電推力器，推力1～25μN可調(diào)節(jié)，推力噪聲〈0.1μ.N，最小沖量＜5×10-°Ns，可極大地提高微小型航天器姿軌控精度。較為成熟可靠的霍爾電推進(jìn)技術(shù)，國(guó)內(nèi)外均在發(fā)展推力大范圍連續(xù)可調(diào)的小功率等離子體電推進(jìn)技術(shù)，德國(guó)研制的HEMP-T3050樣機(jī)，其推力可在20~100mN范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
5.向更低成本方向發(fā)展
近幾年，1000kg以下的微小衛(wèi)星已穩(wěn)定占據(jù)所有發(fā)射衛(wèi)星的40%以上，未來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外多個(gè)小衛(wèi)星星座的發(fā)展，種類繁多的科學(xué)探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃提出，微小衛(wèi)星的發(fā)射占比將越來(lái)越高。
同時(shí)，近幾年商業(yè)航天快速發(fā)展，涌現(xiàn)出以SpaceX、藍(lán)色起源為代表的成熟的商業(yè)航天公司。
微小衛(wèi)星和商業(yè)航天不僅對(duì)小功率電推進(jìn)提供明確而迫切的需求，而且要求電推進(jìn)系統(tǒng)的成本盡量低，以適應(yīng)商業(yè)航天的發(fā)展需要，以及成百上千顆微小衛(wèi)星的批量應(yīng)用與發(fā)展。
電推進(jìn)為了實(shí)現(xiàn)更低成本，首先針對(duì)目前成熟應(yīng)用的電推進(jìn)種類，向微小功率發(fā)展，如50~400W級(jí)小功率霍爾推力器、離子推力器等，具有技術(shù)成熟高、研制風(fēng)險(xiǎn)低、研發(fā)周期短、成本低的優(yōu)勢(shì)，可快速實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用。如美國(guó)研制的50~300W的BHT200霍爾推力器即是繼承5kW的BHT-4000霍爾推力器研發(fā)而來(lái)，已經(jīng)成功應(yīng)用于TacSat2快響應(yīng)小衛(wèi)星上。
其次，發(fā)展新型的電推進(jìn)技術(shù)，如微陰極電弧推進(jìn)技術(shù)，其系統(tǒng)可高度集成化和模塊化，以降低研發(fā)和應(yīng)用成本。
此外，對(duì)于發(fā)展的小功率霍爾、離子等電推進(jìn)技術(shù)，在確保推力器性能的前提下，研究采用更低成本的推進(jìn)劑，如氪氣、固體推進(jìn)劑等，來(lái)代替成本高昂的氙氣推進(jìn)劑，從而進(jìn)一步降低成本。
美國(guó)SpaceX公司的StarLink小衛(wèi)星星座計(jì)劃，已于2019年5月成功發(fā)射60顆左右衛(wèi)星，其星上配置的百瓦級(jí)小功率霍爾推力器，均采用低成本的氪氣作為推進(jìn)劑，極大地降低了應(yīng)用成本。
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