空间电推进的技术发展及应用

航天 · 2016-11-22 23:41:15

空间电推进的技术发展及应用　　张伟文张天平　　兰州空间技术物理研究所　　近日，由中国空间技术研究院兰州空间技术物理研究所自主研制的中国首个卫星用200mm离子电推进系统（LIPS-200）地面寿命及可靠性试验累计工作时间达到6000h，开关机3000次，它可具备确保卫星在轨可靠运行15年的能力，航天推进技术研究院上海航天动力机械研究所的霍尔电推进技术也取得了重大突破——80mN霍尔推力器的空心阴极长寿命试验突破18000h，这标志着我国自主研制的电推进系统达到了国际先进水平，将全面迈入工程应用阶段，能够满足我国通信卫星系列平台的发展需求。　　　　一、引言　　电推进又称为电火箭，它是把外部电能转换为推进剂喷射动能的火箭类型。根据把电能转换为推进剂动能的工作原理，电推进可分为电热型、静电型、电磁型、新型四大类，目前，同属静电类型的离子电推进和霍尔电推进的技术最成熟、应用也最广泛。由于突破了传统化学推进喷射动能受限于推进剂化学内能的约束，电推进很容易实现比化学推进高一个量级的比冲性能。在航天器上应用高比冲推进系统可以节省大量推进剂，从而增加航天器有效载荷、降低发射质量、延长工作寿命等。电推进除了具有高比冲的显著优势外，还具有推力调节方便、推力小、工作寿命长、安全性好、需要电能源等主要特点。　　对于现代航天器而言，应用电推进的必要性和重要性越来越凸显。例如，商业通信卫星应用电推进后可以降低成本、提升性价比、延长工作寿命，所以电推进是赢得市场竞争的重要筹码；在深空探测领域，应用电推进可以降低成本、减小对发射窗口依赖程度、在现有条件下到达更远目标，因此它是目前和未来高效完成深空探测任务的利器；对于包括无拖曳控制、编队飞行、精确姿态和轨道控制等空间科学试验而言，电推进更是不可或缺的支撑和必备技术。　　　　二、国外电推进发展及应用　　　　技术发展现状及趋势　　自1902年俄罗斯的齐奥尔科夫斯基和1906年美国的哥达德博士分别提出电推进概念以来，电推进技术发展已经走过了一个多世纪的历程，大致分四个阶段：1902－1964年为概念提出和原理探索阶段，美国、英国、德国分别研制出离子电推进样机,俄罗斯研制了霍尔电推进样机；1964－1980年为地面和飞行试验阶段，美国完成了汞离子电推进飞行试验，俄罗斯完成了SPT霍尔电推进飞行试验；1980－2000年为航天器开始应用阶段，俄罗斯的霍尔电推进和美国的离子型电推进相继投入应用，日本、德国等其他国家的电推进也开始飞行试验；2000年至今为电推进技术和应用快速发展阶段。　　当前国外电推进技术的发展现状及趋势可以归纳为7个方面。　　1）正在形成系列化电推进产品。它包括美国L－3公司的XIPS离子系列、Busek公司的BHT霍尔系列、AMPAC－ISP公司的T霍尔系列、日本的μ微波系列、英国T离子系列、德国RIT射频系列、俄罗斯SPT霍尔系列等。

L－3公司的XIPS离子系列产品　　2）离子和霍尔推力器长寿命验证取得新突破。离子推力器XIPS－13和NSTAR－30的寿命验证达到30000h，NEXT的寿命验证已经超过50000h；霍尔推力器PPS－1350G的寿命验证达到10000h，BPT－4000的寿命验证超过20000h，磁屏效应为霍尔推力器的长寿命问题解决带来希望。　　3）为满足轨道转移和深空探测等未来应用需求，电推进产品正在向高功率方向发展。除了传统的数百千瓦高功率磁等离子体动力电推进外，美国HiPEP离子推力器功率为34kW、德国RIT－45射频推力器预期功率35 kW，GRC NASA－457霍尔推力器功率73kW，美国火箭公司的可变比冲磁火箭（VASIMR）类型电推进VX－200功率达到200kW。环型离子推力器和DS4G多级离子推力器已成为离子推力器实现高功率的主要技术途径，多通道霍尔推力器成为霍尔推力器实现高功率的主要技术途径。

美国火箭公司的可变比冲磁火箭类型电推进VX－200　　4）微小功率电推进进一步发展。除了场效应发射推进（FEEP）、脉冲等离子体推力器（PPT）等传统推力器外，德国RIT－2.5、Busek公司BFRIT－1、日本μ－1等的功率只有数十瓦, 完全有可能取代场效应发射推进实现工程应用。　　　　5）电推进新技术持续发展，包括离子和霍尔变异类型及混合类型、非传统类电推进新类型、不同推进剂类型等。其中的新技术类型包括：气体动力镜推力器、真空弧推力器、电动拖船、吸气电磁推进、螺旋波源无电极磁等离子体动力、双极PPT、无电极等离子体等，不同推进剂包括氪气、氮气、碘、镁、铋、纳米颗粒等。　　6）国家和部门不断增多。从美国、俄罗斯、日本、德国、英国、法国、意大利等发达国家扩展到巴西、乌克兰、韩国、印度和以色列等发展中国家。每个国家电推进技术研究部门日益增加；　　　　7）国际合作日益加强。1991年美国劳拉空间系统公司和俄罗斯火炬设计局联合成立国际空间技术公司向西方推广SPT－100电推进。2010年美国航空喷气公司和日本NEXC签署协议联合开发低功率离子电推进系统在美国的宇航市场。　　航天器应用情况　　目前，已经应用的电推进类型包括肼电热、肼电弧、氙离子、氙霍尔、脉冲等离子推力器等，列入应用计划的还包括场发射、胶体等，其中直流放电型离子和SPT霍尔是目前应用最多的主流产品，已经出现肼电热推力器被淘汰、肼电弧推力器被更高性能的离子推力器和霍尔推力器逐渐取代的发展趋势。已经应用电推进的国家包括美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度等，中国、韩国、以色列等国家正在制定或实施电推进应用计划。应用电推进的航天器数量在快速增长,当前在轨运行的应用电推进的航天器大约100个，离子电推进累计工作时间接近2.0×105h，霍尔电推进累计工作时间接近1.0×105h。电推进的主用应用包括地球静止轨道位置保持、深空探测主推进、无拖曳控制、姿态控制、轨道转移等方面，其中静止轨道轨道位置保持为主导性应用，深空探测主推进为快速扩展性应用。其应用领域如下。　　1）静止轨道通信卫星位置保持任务。美国波音公司在波音卫星系统－601HP（BSS－601HP）卫星平台应用XIPS－13离子电推进系统完成南北位保任务,发射卫星数量18颗；波音公司在波音卫星系统－702卫星平台卫星上应用XIPS－25完成全部位置保持任务，发射卫星数量22颗。美国劳拉空间系统公司在劳拉－1300（LS－1300）卫星平台上应用SPT－100霍尔电推进系统完成南北位保任务，发射卫星数量10颗；欧洲阿斯特留姆公司的欧洲星－3000（Eurostar－3000）卫星平台上应用SPT－100和PPS－1350霍尔电推进系统完成南北位保任务，发射卫星数量7颗；欧洲泰雷兹-阿莱尼亚公司在空间客车－4000C（SpaceBus－4000C）卫星平台上应用SPT－100霍尔电推进系统完成南北位保任务，发射卫星数量6颗；俄罗斯应用力学联合体继续在MSS－2500等卫星平台应用SPT－100系列霍尔电推进系统完成全部位保任务，发射卫星数量11颗；美国洛马公司在A2100M卫星平台上开始应用BPT－4000霍尔电推进完成南北位保任务，发射卫星数量3颗。欧洲最新“阿尔法”卫星平台（Alphabus）确定采用Snecma公司的PPS－1350霍尔电推进系统完成南北位保任务，已经完成首发卫星发射。2007年启动的欧洲小型地球静止轨道卫星平台将采用SPT－100和HEMP－3050组合的电推进系统完成位置保持。

应用BPT－4000霍尔电推进的洛马公司A2100M卫星平台　　2）深空探测航天器主推进任务。1998年10月美国发射的深空－1（DS－1）航天器应用单台NSTAR－30离子电推进系统完成小行星探测的主推进任务，在历时3年多的飞行任务中离子电推进系统累计工作16265h，产生速度增量4.3km/s。2007年9月美国发射的“黎明号”（Dawn）小行星探测器应用3台NSTAR－30离子电推进系统完成对主带小行星中灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）科学探测的主推进任务，航天器于2011年7月进入灶神星的轨道，2012年9月完成为期1年的灶神星科学探测任务并离开，电推进累计工作2.5×104h、产生速度增量7km/s。目前该探测器已进入谷神星轨道。2003年5月日本发射的“隼鸟”（Hayabusa）小行星探测器应用4台μ－10微波离子电推进系统完成S类近地小行糸川（Itokawa）的采样返回的主推进任务，2010年6月返回舱成功降落到澳大利亚并回收。在整个飞行任务中离子电推进系统累计工作39637h、产生速度增量2.2km/s。日本于2014年12月3日发射的隼鸟－2（Hayabusa－2）小行星探测器将继续采用4台μ－10微波离子电推进系统完成1999JU3小行星采样返回的主推进任务，它计划2018年到达1999JU3并采样，2020年返回地球。　　2003年9月欧洲发射的斯玛特－1（SMART－1）月球探测器应用单台PPS－1350霍尔电推进系统完成月球探测的主推进任务，2005年完成了月球探测使命最终坠落月球表面。由于推进系统的良好性能，使得该探测器绕月球探测工作时间从原计划的6个月延长到了1.5年。欧洲航天局（ESA）和日本宇宙开发研究机构（JAXA）联合研制的 “贝皮-科伦布”（Bepicolombo）水星探测器将应用4台T6离子电推进系统把磁圈轨道器和星体轨道器送入水星轨道，它计划2015年发射，2021年到达水星。加利福尼亚理工学院分析验证了用40kW电推进完成近地小行星捕获并转移到绕月轨道的可行性，计划于2020中期实施。欧洲航天局正在论证采用太阳能电推进和同位素核能电推进组合完成距离太阳200AU进行太阳和星际探测的可行性。美国航空航天局（NASA）正在实施针对载人深空探测太阳电推进系统的飞行验证计划,电推进总功率30kW,用1年时间完成从400km低轨道到地月L2的轨道转移,计划2018年飞行。

欧洲斯玛特－1月球探测器

欧日联合研制的 “贝皮-科伦布”水星探测器　　3）静止轨道卫星的轨道转移任务。波音公司在波音卫星系统－702卫星平台上已经实施了应用XIPS－25离子电推进系统完成最终静止轨道轨道圆化的部分轨道转移任务,其中化学推进把卫星送入近地点约30000 km、远地点约42000 km、倾角0º的中间椭圆轨道，电推进在1.5个月内把卫星送入地球静止轨道，截止2011年5月已经应用于16颗卫星。俄罗斯在2003年发射的亚马尔－201、202（Yamal－201、202）卫星上应用SPT－70电推进完成了部分轨道转移。在2001年7月发射的欧洲“阿蒂米斯”（ARTEMIS）卫星上，由于运载上面级故障卫星未能进入预定轨道，用电推进系统经过18个月轨道转移最终到达同步轨道并定点，首次证明了电推进系统修复轨道错误的能力。在2010年8月发射的洛马公司先进极高频－1（AEHF－1）卫星上，发生了卫星双组元化学推进故障，应用2台BPT－4000推力器同时工作，在14个月内完成了几乎全部的轨道转移任务。基于先进极高频－1卫星的经验，洛马公司在先进极高频－2卫星上直接实施了电推进系统完成大部分轨道转移的应用策略。2012年波音公司实现了波音卫星系统－702SP平台4颗全电推进卫星的商业定货，其中ABS－3A和“欧洲通信卫星115西B”等2颗卫星已于2015年3月发射,该卫星采用XIPS－25离子电推进系统完成全部轨道转移和位置保持等任务，几乎完全取消了化学推进系统。目前欧洲、俄罗斯等都已经开始全电推进卫星的研制计划。

4）科学观测与试验航天器任务。2009年欧洲发射的“地球重力场和海洋环流探测卫星”（GOCE）应用2台T5离子电推进系统完成240km高度轨道飞行的大气阻尼精确补偿（无拖曳控制），在2年内绘制出了高精度的全球重力场分布图，截止2012年底电推进系统累计工作24000h。日本计划2015年发射的“超低高度试验卫星”（SLATS）采用了改进型IES－12离子电推进系统完成250km高度大气阻尼补偿。计划于2017年发射的“利萨”（LISA）探路者航天器将采用美国Busek公司研制的胶体电推进和意大利ALTA公司研制的场效应发射推进电推进完成超精确无拖曳控制任务。　　5）其他应用及飞行试验。2000年11月美国发射地球观测卫星－1（EO－1）成功应用了脉冲等离子体推力器完成精确姿态控制任务。2002年9月在日本“数据中继试验卫星”（DRTS）上飞行应用了直流电弧电推进进行位置保持。2007年3月发射的空军协会小卫星猎鹰卫星－3（FalconSat－3）应用了Busek公司研制的微脉冲等离子体推力器进行姿态控制。2006年12月发射的战术卫星－2（TacSat－2）和2010年11月发射的猎鹰卫星－5小卫星上成功应用BHT－200霍尔电推进系统完成轨道维持任务。2010年4月发射的印度空间研究组织（IRSO）通信卫星地球静止卫星－4（GSAT－4）应用了自研和引进组成的霍尔电推进系统进行南北位保。迪拜卫星－2（DubaiSat－2）采用韩国7mN霍尔推力器和日本微波中和器组合进行飞行试验。　　　　三、我国电推进技术发展与应用　　技术发展　　我国电推进技术研究开始于中国科学院电工研究所和兰州物理研究所，目前国内从事电推进技术研究和产品研制的主要单位包括：兰州物理研究所、上海空间动力机械研究所、北京控制工程研究所、西北工业大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等。我国电推进技术发展历史可以用以下标志性事件概括：①1967年中科院电工研究所开展了PPT电推进研究，1974年兰州物理研究所开展汞离子电推进研究；②1978年兰州物理研究所研制的LIPS－80电推进获得国家科技进步一等奖；③1978～1999年为萧条阶段；④1999年兰州物理研究所和上海空间动力机械研究所在国家支持下,分别开展离子和霍尔电推进研究；⑤2005年兰州物理研究所完成离子电推进系统工程样机研制；⑥2007年确定在实践－9A卫星上进行电推进首次在轨飞行试验；⑦2010年确定在东方红－3B卫星平台应用电推进系统完成15年南北位置保持；⑧2013年LIPS－200和HET－40电推进成功完成空间飞行试验验证；⑨2013年12月开始离子电推进12000h寿命验证试验；⑩2014年确定在东方红－5卫星平台用多模式离子电推进完成全部位保和部分轨道转移，确定在空间站用霍尔电推进系统完成轨道维持。

兰州物理研究所研制的LIPS－80

LIPS－200离子电推进系统工程样机　　兰州物理研究所同时开展了离子和霍尔类型电推进技术研究及产品研制，其中离子电推进包括1.0kW单模式LIPS－200、1.5kW双模式LIPS－200+、5.0kW多模式LIPS－300、10kW多模式LIPS－400等，霍尔电推进包括0.3kW单模式LHT－30、0.7kW单模式LHT－70、1.3kW双模式LHT－60D、1.35kW 单模式LHT－100、4.5kW双模式LHT－140等。

上海空间动力机械研究所研制的霍尔电推进包括0.4kW HET－20、0.7kW HET－40、1kW HET－50、1.35kW HET－80、4.5kW双模式HET－300等。北京控制工程研究所与哈尔滨工业大学联合开发了1.4kW单模式和5kW双模式磁聚焦（ATON）霍尔电推进。北京航空航天大学研究了电弧和磁等离子体动力技术，西北工业大学研究了微波放电（ECR）技术，国防科学技术大学研究了脉冲等离子体技术，上海交通大学研究了场发射技术等。国内电推进与国际先进电推进的主要差距包括3个方面：　　1）产品的技术成熟度。国外电推进技术成熟度已经达到9级；国内最成熟的电推进产品只达到5～7级。国外推力器寿命验证已经达到50000h；国内推力器寿命验证目前只达到6000h（目标12000h，试验仍在继续）。　　2）航天器应用的规模和范围。国外技术发达国家从上世纪90年代开始大量应用，应用领域目前已覆盖位置保持、姿态控制、无拖曳控制、轨道转移等，航天器数量累计达到200以上；国内2012年实现了电推进首次飞行试验，首次型号应用在1年之后。　　3）电推进技术发展水平。国外电推进几乎已覆盖类型、功率、模式、比冲的全范围；国内电推进仅覆盖离子和霍尔类型、小功率和中功率、中等比冲、单模式和双模式等，其他范围的电推进还处于方案论证阶段。　　应用现状　　我国电推进已经完成首次空间飞行试验，进入航天器型号应用的包括通信卫星平台和空间站以及近地小行星探测现已完成方案论证，现具体介绍以下几个方面。　　1）实践－9A卫星离子电推进首次飞行试验。该试验卫星于2012年11月发射，截止2014年3月，LIPS－200离子电推进系统在轨完成点火次数230次。整个空间飞行试验过程包括：在轨预初始化、系统预处理、首次点火启动工作、第一次在轨性能标定、累计开关循环工作、第二次在轨性能标定等。其主要的试验结论包括：电推进系统能够在轨重复稳定可靠地工作，电推进系统与卫星其他分系统兼容，空间性能和地面性能基本一致。上海空间动力机械研究所的HET－40霍尔电推进系统也在实践－9A卫星成功完成了首次飞行试验。　　2）新技术验证卫星－2（XY－2）卫星霍尔电推进飞行试验。该飞行试验系统为基于LHT－100推力器的完整单弦系统，由霍尔推力器、贮供单元、电源处理单元、滤波单元、控制单元等组成。已经完成了鉴定产品研制及全部鉴定试验，包括力学、热真空、电磁兼容、系统集成、寿命考核等，目前正在进行飞行正样产品研制。北京控制工程研究所的1.4kW单模式霍尔电推进也将同时进行试验。　　3）东方红－3B卫星平台南北位保任务离子电推进。自2010年开始东方红－3B平台南北位保LIPS－200离子电推进系统研制，已经完成了方案阶段和初样阶段的全部研制工作，目前正在进行长寿命地面试验验证和首发卫星飞行正样产品的研制工作。截止2014年12月底寿命试验已经完成6000h、3000次开关累计。首发应用电推进卫星预计2016年投入运行。　　4）东方红－5卫星平台全位保+部分轨道转移任务离子电推进。东方红－5为我国新一代大容量高性能通信卫星平台，将采用离子电推进系统完成全部位置保持和部分轨道转移任务。目前，已经完成了LIPS－300原理样机研制，为实现高性能，离子推力器研制将采用新技术，包括多级场环尖磁场放电室、三栅极组件、石墨触持极大电流空心阴极等。　　未来展望　　　　我国航天发展对电推进应用的主要需求领域包括地球静止轨道卫星位置保持和轨道转移、机器人和载人深空探测主推进、低轨卫星无拖曳控制和轨道维持、地球轨道超大型航天器、微小卫星姿轨控等方面。　　（1）静止轨道卫星位置保持和轨道转移应用需求　　我国已经明确应用电推进的静止轨道卫星平台包括：东方红－3B的南北位保、东方红－4E和SAST5000卫星平台的全位保、东方红－5和SAST9000卫星平台的全位保和部分轨道转移、东方红－4SP卫星平台的全位保和全部轨道转移。静止轨道卫星平台应用电推进可以使平台实现高有效载荷比、高精度、高分辨率、高稳定度和长寿命。其中，位置保持任务需要1～3kW单模式中比冲电推进，目前技术成熟度最好的离子和霍尔电推进均可满足需求；轨道转移任务需要5～10kW单模式中比冲电推进，位置保持和轨道转移一体化任务需要1～10kW双模式中/高比冲电推进，需要新研制双模式电推进产品满足任务需求，考虑到节省推进剂效益和双（多）模式，离子电推进更具优势，在功率限制条件下特别需要大推力时可选用霍尔电推进。　　（2）机器人深空探测和载人深空探测主推进应用需求　　在现有技术条件支撑下，要完成近地小行星、主带小行星、太阳系内行星等的环绕、着陆、采样返回等探测，采用电推进作为主推进的机器人探测航天器是最经济可行的，预计我国机器人深空探测电推进应用大约在5年后开始，在未来很长时间上不断增长。机器人深空探测航天器主推进任务对电推进技术要求主要体现在多模式、高比冲和长寿命方面，多模式是太阳能电源随距离变化的需求，高比冲是节省推进剂的需求，长寿命是探测目标遥远的需求。任务分析表明，机器人深空探测任务对多模式电推进的需求为：功率范围1～10kW、比冲范围3000～5000s、工作寿命15000～40000h，目前技术成熟度好的离子电推进只能满足1～2kW中功率应用需求，需要研制5～10kW中功率、高比冲电推进新产品。从更长远看，登月、近地小行星、火星等载人深空探测也是重要的发展方向，载人深空探测任务需要应用超大功率、超高比冲的核电推进技术才能完成任务，因此需要发展基于磁等离子体动力和可变比冲磁火箭类型的电推进技术。　　（3）低轨道卫星无拖曳控制和轨道维持等应用需求　　低轨道卫星将在未来10年有较大的快速发展，对电推进的应用需求包括：①以相对冷气或化学推进的高比冲优势，大幅降低推进系统总重量，完成长寿命卫星的阻尼补偿、轨道升降、位置保持和机动、姿态控制、编队飞行、发射误差修正等任务；②提供姿态调节与控制、位置保持等需要的精确冲量；③支撑较宽范围推力可快速调节的应用需求，如无拖曳控制、精确编队飞行等。　　任务分析表明，低轨小卫星轨道维持和轨道转移任务对电推进的需求主要在小功率、中比冲范围，必要时还可以进一步降低到低比冲范围，小功率单模式离子和霍尔电推进即可满足需求；低轨大型航天器（如空间站）轨道维持对电推进的需求主要在中功率、中比冲范围，现有中功率单模式离子和霍尔电推进即可满足需求；低轨小卫星无拖曳控制任务不仅需要电推进具有连续可调工作模式，且最小推力分辨也有要求，需要开发研制推力连续可调的离子电推进新产品。　　（4）地球轨道超大型航天器应用需求　　空间太阳能电站、可重复使用轨道转移运载器、深空探测月球轨道基地、电推进上面级等航天任务需要大功率电推进。基于成熟技术研发大功率电推进产品是切实可行的技术路线，包括多环离子电推进、多通道霍尔电推进、离子和霍尔混合电推进等。　　（5）微小卫星姿轨控应用需求　　微小卫星（包括小、微、纳、皮等卫星）在未来10年内将呈现快速发展势头，未来我国微小卫星对微小功率电推进的应用需求包括：①以相对冷气或化学推进的高比冲优势，大幅降低推进系统总重量，完成长寿命微小卫星的阻尼补偿、轨道升降、位置保持和机动、姿态控制、编队飞行、发射误差修正等任务；②提供姿态调节与控制、位置保持等需要的精确冲量；③较宽范围推力可快速调节的应用需求，如无拖曳控制、精确编队飞行等。

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