离子电推，中国航天器有了新动力

<p style="text-align: center; text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"> </p><p style="text-align: center; text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">我国离子电推进系统与电性产品正在开展联试</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>核心提示</strong>：日前，我国电推进系统取得重要进展，由中国航天科技集团公司五院510所自主研制的首台200毫米离子电推进系统，地面寿命及可靠性试验验证累计工作时间达到6000小时，该试验证实了电推进系统可确保卫星在轨运行15年以上，将正式应用于“东方红三号B”卫星平台。这标志着中国的高轨道卫星平台拥有了世界一流的离子火箭发动机。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">自此，我国首台200毫米离子电推进系统进入实用阶段，由科研正式转化为航天器型号产品。那么，什么是电推进系统？它与目前的化学推进系统相比有哪些优势？</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">电推进系统，也称电火箭发动机，是一种不依赖化学燃烧就能产生推力的设备。它的突出优点是不再需要使用固体或者液体燃料，省去了复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等，能大幅减少航天器的燃料携带量。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">如果电推进系统完全取代化学燃料发动机，还能极大地简化航天器设计，降低发生故障的可能。与化学火箭相比，电火箭俱乐部的成员比较少。除我国之外，能研制并应用电火箭发动机的只有俄罗斯、美国、欧空局和日本。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>航天先驱提出电推设想</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">虽然电火箭发动机听起来是一个充满科幻色彩的话题，但追本溯源，它已经有100多年的历史了。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">早在1903年，俄罗斯著名科学家齐奥尔科夫斯基就发表了著名的论文《通过反作用设备实现宇宙飞行的研究》，该论文被视为现代宇宙探索事业的起点。当时的人们已经认识到，用克鲁克斯放电管可以把电子加速到很高的速度。到了1924年，他又在论文中指出：“电的力量是无限的，可以产生强有力的氦离子流，用于宇宙飞船。”科学巨匠的前瞻能力令人叹服，不过在这个问题上，齐奥尔科夫斯基慢了一步。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">在大洋彼岸，还有一位火箭先驱。和齐奥尔科夫斯基相比，他是真正的科班出身，这就是美国人戈达德。1906年9月6日，戈达德在他的笔记本记中写下了这样一句话：“鉴于电子能以光速被释放出去的巨大可能，那么这种潜力还会增加，反作用会增强到什么程度？会不会发生辐射现象？”这被认为是电火箭发动机的开端，此后戈达德进行了一系列研究，并开始实际制造样机。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">1913年，戈达德制造出一台设备，可以产生“带电粒子”，并获得了专利。1917年，戈达德再次获得专利，这次他发明的东西称为“产生带电气体射流的方式方法”。此后，戈达德根据1917年的专利制造了3台样机，前两台样机只是让气体射流带电，气体本身并不影响充电过程。第三台样机就完全不同了，它是世界上第一台静电离子加速器，被视为电火箭发动机的鼻祖。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">此后，又有多位科学家对电火箭的原理和工程实现做了深入的研究。不过在这个时期，化学燃料火箭发动机也在迅猛发展。虽然化学火箭的比冲和喷射速度比不上电火箭，但总推力远超过后者，成为航天发射和空间飞行器姿态、轨道控制的主力。这种情况一直延续至今。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>术业有专攻 星际航行显优势</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">电火箭发动机的主要问题是推力太小。对于航天发射来说，目前还没有它的用武之地。但作为卫星、飞船、星际探测器的姿态、轨道控制的推力器，以及星际航行的动力，电火箭发动机的优势是无可比拟的。因此，航天界也从来没有忘记电火箭发动机，一直在设法让它实用化。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">1964年7月20日，电火箭终于得到了一试身手的机会，美国宇航局发射了名为“空间电火箭试验”的卫星。它被化学火箭发射到远地点4002公里的高度，然后启动了两台电火箭发动机。其中，第一台发动机采用了电子轰击原理产生离子流，工作了31分16秒，第二台发动机没能启动。4年之后，美国宇航局发射了“ 空间电火箭试验-II”卫星，进入了高1000公里的极轨道。两台电火箭发动机分别累计工作了2011小时和3781小时，重新启动300次。这两次试验的成果后来被用于1998年发射的“深空一号”探测器。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">目前，离子推进器已经在星际航行中证明了自己的性能与可靠性。例如，2003年5月9日，日本发射了“隼鸟号”小行星探测器。“隼鸟号”在两年多的飞行期间，一直使用氙离子发动机航行。直到2005年8月28日接近小行星，“隼鸟号”的离子发动机已经累计工作了25800 小时，产生了1400米/秒的速度增量，消耗氙气22公斤。完成采样并回航时，“隼鸟号”的几个化学燃料姿态推力器全都发生故障，只能依靠离子发动机。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">又如，2010年8月14日，AEHF-1卫星首星由美国联合发射联盟公司的宇宙神5火箭发射。但在卫星发射后的几天内，地面控制人员多次点燃液体燃料发动机失败。AEHF-1卫星造价10亿美元，如果滞留在转移轨道就属于完全损失。地面控制人员先利用星上的小型双组元推力器将轨道提高一些，然后依赖电推力系统连续推进数天、数周乃至数月，用它们微弱的推力给卫星积累出足够的速度增量，将其送入预定位置。在经过14个月、500多次机动后，AEHF-1终于在2011年10月24日抵达了地球同步圆轨道。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>降低发射成本 未来日臻完善</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">今年，欧洲卫星公司的欧洲通信-115西B和亚洲广播卫星公司的ABS-3A即将发射入轨。这两颗卫星都是美国波音公司研制的全电推进卫星，它们在702大型平台上全面改用了电推力器，因为取消了化学燃料和化学发动机，重量大幅度下降到原来的一半左右，可以用中型火箭一箭双星发射。这对国际通信卫星市场造成的冲击是相当大的，这意味着用户只花费过去一半的钱就能发射卫星。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">经过几十年的发展，人们提出了多种电火箭原理，其中最成功的是离子和等离子推力器，这也正是中国航天科技集团公司五院510所研制的电推进系统采取的技术路线。此外还有人提出过其他类型的电火箭，例如光子推进、质子真空等离子推进、电磁推进等。未来，深空探测等空间活动将继续成为众多航天技术的推动力，为了完成现在和未来的空间任务，电推进系统将会不断地完善，并发挥其独特的优势。（常超/文 宇文/摄）</p><br />