空間電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用張偉文

1、空間電推進(jìn)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用張?zhí)炱?張偉文 吳先明 楊樂（蘭州空間技術(shù)物理研究所，真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州）摘 要：介紹了電推進(jìn)在GEO衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移、深空探測主推進(jìn)、科學(xué)觀測和試驗(yàn)等領(lǐng)域的空間應(yīng)用情況，分別給出了離子電推進(jìn)、霍爾電推進(jìn)和其他電推進(jìn)類型的新研產(chǎn)品和新技術(shù)發(fā)展情況，最后對(duì)我國空間電推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀和未來發(fā)展進(jìn)行了概要性介紹.關(guān)鍵詞：電推進(jìn)；技術(shù)進(jìn)展；應(yīng)用.1 引言自1902年俄羅斯的齊奧爾科夫斯基和1906年美國的哥達(dá)德博士分別提出電推進(jìn)概念以來，電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)走過了一個(gè)多世紀(jì)的歷程1,2，大致分四個(gè)階段：1902年1964年為概念提出和原理探索階段，美國、英國、

2、德國分別研制出離子電推進(jìn)樣機(jī),俄羅斯研制了霍爾電推進(jìn)樣機(jī)；1964年1980年為地面和飛行試驗(yàn)階段，美國完成汞離子電推進(jìn)飛行試驗(yàn)，俄羅斯完成SPT霍爾電推進(jìn)飛行試驗(yàn)；1980年2000年為航天器開始應(yīng)用階段，俄羅斯的霍爾電推進(jìn)和美國的離子型電推進(jìn)相繼應(yīng)用，日本、德國等其它國家的電推進(jìn)也開始飛行試驗(yàn)；2000年至今為電推進(jìn)技術(shù)和應(yīng)用快速發(fā)展階段35。下面分別從電推進(jìn)應(yīng)用、新產(chǎn)品研制、新技術(shù)研究等方面對(duì)空間電推進(jìn)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用情況進(jìn)行介紹,并展望了我國電推進(jìn)的未來發(fā)展及應(yīng)用前景。2 電推進(jìn)應(yīng)用情況2.1 GEO衛(wèi)星位置保持6美國波音公司在BSS-601HP平臺(tái)應(yīng)用XIPS-13離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成

3、南北位保任務(wù),發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量18顆；波音公司在BSS-702平臺(tái)衛(wèi)星上應(yīng)用XIPS-25完成全部位置保持任務(wù)，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量22顆。美國空間系統(tǒng)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)完成南北位保任務(wù)，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量10顆；歐洲阿斯特里姆公司在EUROSTAR-3000平臺(tái)上應(yīng)用SPT-100和PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量7顆；歐洲泰麗斯-阿萊尼亞公司在SpaceBus-4000C平臺(tái)上應(yīng)用SPT-100霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù)，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量6顆；俄羅斯應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合體繼續(xù)在MSS-2500等平臺(tái)應(yīng)用SPT-100系列霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部位

4、保任務(wù)，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量11顆；美國洛馬公司在A2100M平臺(tái)上開始應(yīng)用BPT-4000霍爾電推進(jìn)完成南北位保任務(wù)，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量3顆。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)完成南北位保任務(wù)，已經(jīng)完成首發(fā)衛(wèi)星發(fā)射。2007年啟動(dòng)的歐洲小型GEO平臺(tái)將采用SPT-100和HEMP-3050組合的電推進(jìn)系統(tǒng)完成位置保持。中國DFH-3B平臺(tái)衛(wèi)星將采用LIPS-200離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成15年南北位置保持任務(wù)，計(jì)劃2016年發(fā)射。2.2 深空探測主推進(jìn)61998年10月美國發(fā)射的深空一號(hào)（DS-1）航天器應(yīng)用單臺(tái)NSTAR-30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成小行星探測的主推

5、進(jìn)任務(wù)，在歷時(shí)3年多的飛行任務(wù)中離子電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作16265h，開關(guān)機(jī)200多次，產(chǎn)生速度增量4.3km/s。2007年9月美國發(fā)射的黎明號(hào)（Dawn）航天器應(yīng)用3臺(tái)NSTAR-30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成對(duì)主帶小行星中灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）科學(xué)探測的主推進(jìn)任務(wù)，航天器于2011年7月實(shí)現(xiàn)Vesta的軌道捕獲，2012年9月完成為期1年的Vesta科學(xué)探測任務(wù)并離開，電推進(jìn)累計(jì)工作25000h、消耗氙氣262kg、產(chǎn)生速度增量7km/s。目前航天器正在奔向Ceres的征途中，計(jì)劃2015年到達(dá)。2003年5月日本發(fā)射的隼鳥號(hào)（Hayabusa）航天器應(yīng)用4臺(tái)-10微波離子電推

6、進(jìn)系統(tǒng)完成S類近地小行星絲川（Itokawa）的采樣返回的主推進(jìn)任務(wù)，2010年6月返回艙成功降落到澳大利亞并回收。在整個(gè)飛行任務(wù)中離子電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作39637h、產(chǎn)生速度增量2.2km/s，單臺(tái)推力器最長工作時(shí)間達(dá)到14830h、1805次開關(guān)。日本計(jì)劃于2014年發(fā)射的隼鳥二號(hào)（Hayabusa-2）航天器將繼續(xù)采用4臺(tái)-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)，航天器計(jì)劃2017年到達(dá)1999JU3并采樣，2020年返回地球。2003年9月歐洲發(fā)射的智慧一號(hào)（SMART-1）航天器應(yīng)用單臺(tái)PPS-1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成月球探測的主推進(jìn)任務(wù)，2005年完成

7、了月球探測使命最終墜落月球表面。在整個(gè)飛行任務(wù)中電推進(jìn)累計(jì)工作近5000h，由于推進(jìn)系統(tǒng)的良好性能，使得航天器繞月球探測工作時(shí)間從原計(jì)劃的6個(gè)月延長到了1.5年。ESA和JAXA聯(lián)合研制的水星探測貝布克倫布（Bepicolombo）航天器將應(yīng)用4臺(tái)T6離子電推進(jìn)系統(tǒng)把磁圈軌道器和星體軌道器送入水星軌道,航天器計(jì)劃2015年發(fā)射，2021年到達(dá)水星。電推進(jìn)系統(tǒng)在整個(gè)任務(wù)中提供不少于5km/s的速度增量，推力器累計(jì)工作20000h以上。加利福尼亞理工學(xué)院分析驗(yàn)證了用40kW電推進(jìn)完成近地小行星捕獲并轉(zhuǎn)移到繞月軌道的可行性，計(jì)劃于2020中期實(shí)施。ESA正在論證采用太陽能電推進(jìn)和同位素核能電推進(jìn)組合

8、完成距離太陽200AU進(jìn)行太陽和星際探測的可行性。NASA正在開始進(jìn)行針對(duì)載人深空探測太陽電推進(jìn)系統(tǒng)的飛行驗(yàn)證計(jì)劃,電推進(jìn)總功率30kW,用1年時(shí)間完成從400kmLEO到地月L2的軌道轉(zhuǎn)移,計(jì)劃2018年飛行。中國正在論證應(yīng)用LIPS-200+離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成近地小行星探測的技術(shù)方案。2.3 GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移波音公司在BSS-702平臺(tái)衛(wèi)星上已經(jīng)實(shí)施了應(yīng)用XIPS-25離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成最終GEO軌道圓化的部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù),其中化學(xué)推進(jìn)把衛(wèi)星送入近地點(diǎn)約30000 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)約42000 km、傾角0的中間橢圓軌道，電推進(jìn)在1.5個(gè)月內(nèi)完成GEO軌道，截止2011年5月已經(jīng)應(yīng)用16顆衛(wèi)

9、星。俄羅斯在2003年發(fā)射的YAMAL-201和YAMAL-202衛(wèi)星上應(yīng)用SPT-70電推進(jìn)完成了部分軌道轉(zhuǎn)移。在2001年7月發(fā)射的歐洲阿特米斯（ARTEMIS）衛(wèi)星上，由于運(yùn)載上面級(jí)故障衛(wèi)星未能進(jìn)入預(yù)定軌道，用電推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)過18個(gè)月軌道轉(zhuǎn)移最終到達(dá)同步軌道并定點(diǎn)，首次證明了電推進(jìn)系統(tǒng)修復(fù)軌道錯(cuò)誤的能力。在2010年8月發(fā)射的洛馬公司AEHF-1衛(wèi)星上，發(fā)生了衛(wèi)星雙組元化學(xué)推進(jìn)故障，應(yīng)用2臺(tái)BPT-4000推力器同時(shí)工作，在14個(gè)月內(nèi)完成了幾乎全部的軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)?；贏EHF-1的經(jīng)驗(yàn)，洛馬公司在AEHF-2衛(wèi)星上直接實(shí)施了電推進(jìn)系統(tǒng)完成大部分軌道轉(zhuǎn)移的應(yīng)用策略。2012年波音公司實(shí)現(xiàn)了B

10、SS-702SP平臺(tái)4顆全電推進(jìn)衛(wèi)星的商業(yè)定貨，其中ABS-3A和SATMEX-7等2顆衛(wèi)星計(jì)劃于2014年發(fā)射,該衛(wèi)星采用XIPS-25離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部軌道轉(zhuǎn)移和位置保持等任務(wù)，幾乎完全取消了化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)7。目前歐洲、俄羅斯等都已經(jīng)開始全電推進(jìn)衛(wèi)星的研制計(jì)劃8。2.4 科學(xué)觀測與試驗(yàn)航天器2009年歐洲發(fā)射的GOCE衛(wèi)星應(yīng)用2臺(tái)T5離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成240km高度軌道飛行的大氣阻尼精確補(bǔ)償（無拖曳控制），在2年內(nèi)繪制出了高精度的全球重力場分布，截止2012年底電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作24000h。日本計(jì)劃于2014年發(fā)射超低高度試驗(yàn)衛(wèi)星(SLATS),采用改進(jìn)型IES-12離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成

11、250km高度大氣阻尼補(bǔ)償。計(jì)劃于2017年發(fā)射的LISA探路者航天器將采用美國Busek公司研制的膠體電推進(jìn)和意大利ALTA公司研制的FEEP電推進(jìn)完成超精確無拖曳控制任務(wù)。2.5 其它應(yīng)用和飛行試驗(yàn)2000年11月美國發(fā)射地球觀測衛(wèi)星1號(hào)（EO-1）成功應(yīng)用了PPT電推進(jìn)完成精確姿態(tài)控制任務(wù)。2002年9月在日本數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)衛(wèi)星（DRTS）上飛行應(yīng)用了直流電弧電推進(jìn)進(jìn)行位置保持。2007年3月發(fā)射的空軍協(xié)會(huì)小衛(wèi)星FalconSat-3應(yīng)用了Busek公司研制的微PPT電推進(jìn)進(jìn)行姿態(tài)控制。2006年12月發(fā)射的TacSat-2和2010年11月發(fā)射的FalconSat-5小衛(wèi)星上成功應(yīng)用BH

12、T-200霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成軌道維持任務(wù)。2010年4月發(fā)射的印度空間研究機(jī)構(gòu)（IRSO）通信衛(wèi)星GSAT-4應(yīng)用了自研和引進(jìn)組成的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行南北位保。2012年中國在實(shí)踐9號(hào)衛(wèi)星上成功進(jìn)行了LIPS-200離子電推進(jìn)系統(tǒng)和HET-40霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)飛行試驗(yàn)。DubaiSat-2將采用韓國7 mN霍爾推力器和日本微波中和器組合進(jìn)行飛行試驗(yàn)。俄羅斯軌道高度510km的觀測雙星將采用SPT-50電推進(jìn)系統(tǒng)。2016年中國將在XY-2衛(wèi)星上進(jìn)行LHT-100和1.4千瓦磁聚焦霍爾電推進(jìn)飛行試驗(yàn)。2.6 電推進(jìn)應(yīng)用總結(jié)（1）目前已經(jīng)應(yīng)用的電推進(jìn)類型包括肼電熱、肼電弧、氙離子、氙霍爾、PPT等，

13、列入應(yīng)用計(jì)劃的還包括場發(fā)射、膠體等，其中直流放電型離子和SPT霍爾是目前應(yīng)用最多的主流產(chǎn)品，已經(jīng)出現(xiàn)肼電熱推力器被淘汰、肼電弧推力器被更高性能的離子推力器和霍爾推力器逐漸取代的發(fā)展趨勢(shì)。（2）已經(jīng)應(yīng)用電推進(jìn)的國家包括美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等，中國、韓國、以色列等國家正在制定或?qū)嵤╇娡七M(jìn)應(yīng)用計(jì)劃。（3）電推進(jìn)的主用應(yīng)用包括GEO位置保持、深空探測主推進(jìn)、無拖曳控制、姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移等方面，其中GEO軌道位置保持為主導(dǎo)性應(yīng)用，深空探測主推進(jìn)為快速擴(kuò)展性應(yīng)用。（4）應(yīng)用電推進(jìn)的航天器數(shù)量在快速增長,當(dāng)前在軌運(yùn)行的應(yīng)用電推進(jìn)的航天器大約100個(gè)，離子電推進(jìn)累計(jì)工作時(shí)間接近200000h，霍爾

14、電推進(jìn)累計(jì)工作時(shí)間接近100000h。3 新產(chǎn)品研制3.1 離子電推進(jìn)高功率（10kW）離子電推進(jìn)方面，由JPL研制的NEXIS離子推力器最高性能達(dá)到：功率27kW、比沖8700s、推力517 mN、效率81%，由GRC研制的矩型放電室HiPEP離子推力器性能達(dá)到：功率1040kW，比沖59709600s、推力240670mN、效率72%80%，德國和俄羅斯聯(lián)合研制的RIT-45射頻離子推力器的目標(biāo)性能為：功率35kW、比沖7000s、推力760mN。中等功率（110kW）離子電推進(jìn)方面，GRC研制的NEXT離子推力器性能為:功率5006900W、推力26236mN、比沖13204190s，2

15、005年開始推力器工程樣機(jī)的壽命試驗(yàn)，截止2013年底已經(jīng)達(dá)到50000h。德國研制的RIT-22射頻離子推力器性能為：功率3.26.1kW、推力100200mN、比沖52304400s。中國蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIPS-300離子推力器性能為: 功率4.6 kW、推力175 mN、比沖3500s。低功率（0.11kW）離子電推進(jìn)方面，L3通信公司研制的XIPS-8離子推力器性能為：功率100350W、推力214mN。日本研制的-20微波離子電推進(jìn)性能為：推力30mN、比沖3000s，已經(jīng)完成了10000h壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)。Busek公司研制的BFRIT-7射頻離子推力器的性能為：功率40

16、0W、推力11mN、比沖3850s。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIPS-100離子推力器性能為:功率50470W、推力115mN、比沖5003000s。微小功率（0.1kW）離子電推進(jìn)方面，德國吉森大學(xué)為ESA下一代重力使命研制的RIT-2.5的推力范圍50N1mN。Busek公司研制的BFRIT-1射頻離子推力器的性能為：功率10W、推力6N、比沖1800s。賓夕法尼亞大學(xué)研制MRIT-1射頻離子推力器的性能為：推力59.0N 、比沖5480 s、推功比300 W/mN。日本研制的-1小微波離子推力器性能為:單極工作功率19.9W、推力379N、比沖1410s,雙極工作功率15.1W、推力

17、297N、比沖1100s。3.2 霍爾電推進(jìn)GRC研制的高壓霍爾加速器（HiVHAc）的目標(biāo)為高比沖（2700s）和長壽命（15000h）。NASA-300M 在2011年的驗(yàn)證性能為：氙氣推力1.13 N、氪氣推力0.9 N。NASA-457原理樣機(jī)最高性能達(dá)到72 kW、2.9 N,最新改進(jìn)型NASA-457Mv2的性能為：功率26.3kW、推力1.17N、比沖2350s、效率55%。AMPAC-ISP公司研制了T系列霍爾推力器，其中T-40的性能為功率0.10.4kW、比沖10001600s、推力520mN，T-140的性能為功率24.5kW、比沖15002000s、推力160300mN

18、，T-220的性能為功率820kW、比沖15002500s、推力5001000mN，T-220HT的性能為功率222kW、比沖15002600s、推力1001100mN。俄羅斯的新一代推力器SPT-100M通過改進(jìn)磁場設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下的性能達(dá)到：推力8891mN、比沖16801710s,比SPT-100B提高68%，束流發(fā)散角減小到60，預(yù)估壽命 10000 14000 h。俄羅斯SPT-290的額定工作性能為：功率30kW、推力1.5N、比沖3300s、壽命27 000 h。俄羅斯針對(duì)FOBOS航天器使命進(jìn)行了SPT-140鑒定，在5000h壽命上驗(yàn)證的性能為：功率26.5kW、推力1

19、50350mN、比沖17002400s、效率5261%。美國VHITAL-160的鉍性能為：功率2536kW、推力527618mN、比沖53757667s、效率40%70%。法國Snecma公司2007年完成了針對(duì)通信衛(wèi)星應(yīng)用的PPS-1350推力器10530h、7000次開關(guān)壽命試驗(yàn)，研制的PPS-5000試驗(yàn)樣機(jī)性能為：功率5kW、推力325mN、比沖2300s。近2年又在歐洲高功率電推進(jìn)計(jì)劃中研制PPS-20K，在22.4kW下的驗(yàn)證結(jié)果為試驗(yàn)樣機(jī)：推力1050mN、比沖2700s、效率60%。意大利Alta正在研制的HT-30k霍爾推力器的性能為：功率30kW、比沖2500 s、推力1

20、.55N。高效多級(jí)等離子推力器（HEMPT）概念由Thales Electron Devices公司提出，2005年開始HEMP-3050和HEMP-30250兩種規(guī)格的產(chǎn)品研制，額定推力分別為50mN和250mN，其中HEMP-3050的產(chǎn)品成熟度更高，已經(jīng)進(jìn)入針對(duì)小GEO衛(wèi)星應(yīng)用的推力器產(chǎn)品鑒定程序：2011年完成了44mN 、1380W條件下工程樣機(jī)的4000h試驗(yàn)。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LHT系列霍爾推力器性能范圍為:功率0.26.0kW、推力10300mN、比沖12002000s。3.3 其他類型電推進(jìn)可變比沖磁等離子推力器（VASIMR）經(jīng)過AD ASTRA火箭公司近四十年的

21、技術(shù)發(fā)展，先后研制了VX-10、VX-50、VX-100、VX-200等推力器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其中最新VX-200在200kW功率下驗(yàn)證的性能為推力5.8 N、比沖4900s、效率70%。目前正在研制VX-200的飛行樣機(jī)VF-200，計(jì)劃在國際空間站飛行試驗(yàn)并提供航天器軌道維持。意大利研制的AF-MPDT在120mg/s氬氣流率下試驗(yàn)性能為：功率170kW、推力3.5N、比沖3000s、效率28%。德國斯圖加特空間系統(tǒng)研究所持續(xù)進(jìn)行SF-MPDT和AF-MPDT技術(shù)研究：其中ZT-3推力器在350kW下氬氣推力25N、效率10%，DT-6在550 kW下氬氣推力27N、效率27%。美國普林斯頓大學(xué)

22、的AF-MPD推力器性能為：功率245kW、比沖6200s、效率60%。意大利Alta公司的脈沖準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)MPD推力器性能為：功率100kW、推力2.5N、比沖2500s。奧地利為LISA PF研制的In-FEEP電推進(jìn)完成了3650h試驗(yàn)，累計(jì)沖量達(dá)到586Ns。意大利為LISA PF研制的Cs-FEEP推力器性能為：推力0.3200N,分辨 0.1N，完成了3228h試驗(yàn)，累計(jì)沖量950Ns。英國為Cubesat衛(wèi)星研制的特富綸PPT測試結(jié)果為:1.7J下脈沖量34Ns、比沖600s。俄羅斯研制的PPT能量范圍20150J、效率1540%,其中為航天器軌道控制研制大推力APPT-95達(dá)到：沖量

23、45kNs 、效率25%。斯圖加特大學(xué)為月球BW1使命研制聚四氟乙烯SIMPLEX推力器的能量4070J。日本為PROITERES衛(wèi)星研制電熱型PPT飛行樣機(jī)驗(yàn)證的總沖量能達(dá)到5.0 Ns，高功率PPT研制方面取得進(jìn)展：驗(yàn)證了連續(xù)468000次工作、沖量266Ns、比沖490s、能量75J。3.4 新產(chǎn)品研制總結(jié)（1）型譜化電推進(jìn)產(chǎn)品正在形成。一些主要的型譜產(chǎn)品包括美國L-3公司的XIPS離子系列、Busek公司的BHT霍爾系列、AMPAC-ISP公司的T霍爾系列、日本的微波系列、英國T離子系列、德國RIT射頻系列、俄羅斯的SPT霍爾系列、中國的LIPS離子系列和LHT霍爾系列等；（2）為滿足

24、軌道轉(zhuǎn)移和深空探測等未來應(yīng)用需求，電推進(jìn)產(chǎn)品正在向高功率方向發(fā)展。除了傳統(tǒng)的數(shù)百千瓦高功率MPD電推進(jìn)外，美國HiPEP離子推力器功率為34kW、德國RIT-45射頻推力器預(yù)期功率35 kW、GRC NASA-457霍爾推力器功率73kW、美國火箭公司的VASIMR類型電推進(jìn)VX-200功率達(dá)到200kW。（3）在微小功率電推進(jìn)方面，除了FEEP、PPT等傳統(tǒng)推力器外，基于最成熟離子和霍爾類型技術(shù)的小功率產(chǎn)品研制取得重要進(jìn)展，如德國RIT-2.5、Busek公司BFRIT-1、日本-1等的功率只有數(shù)十瓦, 完全有可能取代FEEP實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。（4）離子和霍爾推力器長壽命驗(yàn)證取得新突破。XIPS

25、-13和NSTAR-30壽命驗(yàn)證達(dá)到30000h，NEXT推力器的壽命驗(yàn)證已經(jīng)超過48000h（還在繼續(xù)），PPS-1350G推力器的壽命驗(yàn)證達(dá)到10000h，BPT-4000的壽命驗(yàn)證預(yù)計(jì)超過20000h，LEEP-150完成了3000h試驗(yàn)。4 新技術(shù)發(fā)展4.1 傳統(tǒng)技術(shù)新發(fā)展美國Michigan大學(xué)和空軍研究實(shí)驗(yàn)室研制了功率10 kW的同軸雙通道霍爾推力器NHT-X2，效率可達(dá)到60%。為進(jìn)一步提高功率到100kW，正在研制三通道霍爾推力器NHT-X39,功率范圍30240kW、比沖14003200s。歐洲在高功率電推進(jìn)計(jì)劃（HiPER）中提出了雙級(jí)可變比沖離子推力器方案，正研制的雙級(jí)四

26、柵極(DS4G)超高比沖離子電推進(jìn)的目標(biāo)性能為10：功率20 kW、比沖10000 s、推力0.45 N。美國米西根大學(xué)和GRC開發(fā)研制了環(huán)型離子電推進(jìn)11，相對(duì)傳統(tǒng)離子推力器可以提高功率水平10倍、功率密度23倍，已經(jīng)進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。在空軍支持下美國EDA公司開發(fā)研制螺旋波霍爾推力器(HHT)12。螺旋波雙層推力器為無電極射頻功率驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)裝置,澳大利亞國立大學(xué)研制了電磁鐵和永久磁鐵螺旋波雙層推力器原理樣機(jī)13。針對(duì)小功率應(yīng)用提出了具有更高體積表面比的圓柱霍爾推力器(CHT)，日本研制的100W CHT在66W下的性能為14：推力3.5mN、比沖1570s、效率18.1%，相對(duì)SPT震蕩

27、要小。為提高低功率霍爾推力器的效率和工作壽命，以色列提出了同軸磁隔離陽極霍爾推力器（CAMILA-HT）概念，2011年驗(yàn)證的CAMILA-HT-55推力器性能達(dá)到15：功率154295W、推力9.617.8mN、比沖14001870s、效率43%55%。四極約束推力器采用創(chuàng)新的磁場拓?fù)?，在原理樣機(jī)上用氪驗(yàn)證的性能為16：功率100W、推力2.1mN、比沖700s，調(diào)節(jié)磁場控制推力方向達(dá)到14。英國研制了小型差分柵極離子推力器（MiDGIT）原理樣機(jī)，測試性能為17：950V 柵電壓下推力480N ，1300V下推力780N。Michigan大學(xué)正在開展納米粒子場引出推力器（NanoFET）技

28、術(shù)研究18，通過帶電和加速微、納米粒子而獲得推力。英國研制的空心陰極推力器在53W功率下的氙氣性能為推力1.6mN、比沖85s，正在計(jì)劃在TechDemoSat-1衛(wèi)星上進(jìn)行飛行試驗(yàn)19。4.2 創(chuàng)新技術(shù)發(fā)展法國在研制PEGASES推力器，它同時(shí)加速等離子體中的正離子和負(fù)離子，能夠降低等離子體與航天器相互作用20。普林斯頓大學(xué)正在研究敲擊靜電波（BEW）直接加速離子推力器技術(shù)研究21。其他新類型還包括：氣體動(dòng)力鏡推力器22、真空弧推力器23、電動(dòng)拖船24、吸氣電磁推進(jìn)25、螺旋波源無電極MPD26、雙極PPT27、無電極等離子體28、脈沖感應(yīng)推力器（PIT）29等。2010年歐洲法國和德國進(jìn)行

29、了PPS-1350和RIT-10推力器的大氣推進(jìn)劑試驗(yàn),包括氧氣、氮?dú)?、混合氣體等30。Michigan技術(shù)大學(xué)在BPT-2000推力器上進(jìn)行了鎂和鋅輕金屬推進(jìn)劑性能試驗(yàn)31。Busek表征了碘推進(jìn)劑霍爾推力器性能，在9kW范圍的性能超過氙推進(jìn)劑。JPL和俄羅斯在甚高比沖陽極層雙級(jí)VHITAL-160推力器上驗(yàn)證了鉍推進(jìn)劑性能32，在2536kW功率范圍比沖達(dá)到60008000 s。4.3 新技術(shù)發(fā)展總結(jié)（1）電推進(jìn)新技術(shù)不斷擴(kuò)展，包括離子和霍爾變異類型及混合類型、非傳統(tǒng)類電推進(jìn)新類型、不同推進(jìn)劑類型等。（2）磁屏效應(yīng)為霍爾推力器的長壽命問題解決帶來希望。在BPT-4000推力器10400h壽

30、命試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)推力器陶瓷腔在560010400h之間幾乎為零腐蝕。為了從根源上搞清楚，JPL支持下發(fā)展了Hall2De程序模擬推力器工作過程，并由此發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致腐蝕降低的磁屏效應(yīng)33。（3）環(huán)型離子推力器和DS4G多級(jí)離子推力器成為離子推力器實(shí)現(xiàn)高功率的主要技術(shù)途徑，多通道霍爾推力器成為霍爾推力器實(shí)現(xiàn)高功率的主要技術(shù)途徑。（4）非傳統(tǒng)類型VASIMR正在成為未來大功率電推進(jìn)的主要候選者。它具有比沖可調(diào)節(jié)、無電極設(shè)計(jì)、多種推進(jìn)劑選擇、中性等離子輸出、相對(duì)高效率、輻射屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有系統(tǒng)復(fù)雜尺寸大和磁場強(qiáng)電磁干擾大的明顯缺點(diǎn)34。5 我國電推進(jìn)展望5.1 目前發(fā)展及應(yīng)用目前國內(nèi)從事電推進(jìn)技術(shù)研究

31、和產(chǎn)品研制的主要單位包括：五院五一所、六院八一所、五院五二所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。五一所離子類型電推進(jìn)產(chǎn)品包括：1.0kW單模式LIPS-200、1.5kW雙模式LIPS-200+、5.0kW多模式LIPS-300、10kW多模式LIPS-400等。霍爾類型電推進(jìn)產(chǎn)品包括：0.3kW LHT-30、0.7kW LHT-70、1.3kW雙模式LHT-60D、1.35kW LHT-100、4.5kW雙模式LHT-140等。其中的LIPS-200系統(tǒng)成功完成了SJ-9A飛行試驗(yàn)，2016年將應(yīng)用于DFH-3B平臺(tái)通信衛(wèi)星完成15年南北位保任務(wù)，LHT-100系統(tǒng)將在20

32、15年開展XY-2衛(wèi)星空間飛行試驗(yàn)，LIPS-300系統(tǒng)計(jì)劃應(yīng)用于DFH-5平臺(tái)衛(wèi)星的位置保持和部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。八一所研制的系列霍爾電推進(jìn)產(chǎn)品包括：0.4kW HET-20、0.7kW HET-40、1kW HET-50、1.35kW HET-80、4.5kW雙模式HET-300等。其中的HET-40系統(tǒng)成功完成了SJ-9A飛行試驗(yàn)，HET-80系統(tǒng)計(jì)劃2018年后應(yīng)用于空間站軌道維持任務(wù)。五二所正在與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)1.4kW單模式和5kW雙模式磁聚焦（ATON）產(chǎn)品，其中1.4kW系統(tǒng)將在2015年開展XY-2衛(wèi)星空間飛行試驗(yàn)。其他單位主要開展了相關(guān)電推進(jìn)技術(shù)研究，北京航空航天大學(xué)

33、為電弧和磁等離子體（MPD）技術(shù)，西北工業(yè)大學(xué)為微波放電（ECR）技術(shù)，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)為脈沖等離子體（PPT）技術(shù)，上海交通大學(xué)為場發(fā)射（FEEP）技術(shù)等。國內(nèi)的電推進(jìn)技術(shù)與國外相比還存在不少差距，主要體現(xiàn)為：（1）從電推進(jìn)的應(yīng)用情況看，國外技術(shù)發(fā)達(dá)國家從上世紀(jì)60年代開始飛行試驗(yàn)、90年代開始大量應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域目前已覆蓋位置保持、姿態(tài)控制、無拖曳控制、軌道轉(zhuǎn)移等。航天器數(shù)量累計(jì)達(dá)到200以上。國內(nèi)2012年實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)首次飛行試驗(yàn)，型號(hào)應(yīng)用的研究正在進(jìn)行中。（2）國外電推進(jìn)技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到9級(jí)，國內(nèi)最成熟的電推進(jìn)產(chǎn)品只達(dá)到57級(jí)。國外推力器壽命驗(yàn)證已經(jīng)達(dá)到50000小時(shí)，國內(nèi)推力器壽命驗(yàn)證

34、目前只達(dá)到4500小時(shí)（目標(biāo)12000小時(shí)，試驗(yàn)仍在繼續(xù)）。（3）國外電推進(jìn)已覆蓋類型、功率、模式、比沖的全范圍，國內(nèi)電推進(jìn)僅覆蓋離子和霍爾類型、小功率和中功率、中等比沖、單模式和雙模式等范圍，其他范圍的電推進(jìn)還處于方案論證階段，超大功率和超高比沖甚至還沒有涉及。5.2 未來發(fā)展及應(yīng)用需求我國航天發(fā)展對(duì)電推進(jìn)應(yīng)用的主要需求領(lǐng)域包括GEO衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移、機(jī)器人和載人深空探測主推進(jìn)、LEO衛(wèi)星無拖曳控制和軌道維持、地球軌道超大型航天器、微小衛(wèi)星姿軌控等方面。（1）GEO衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移應(yīng)用需求我國已經(jīng)明確應(yīng)用電推進(jìn)的GEO公用平臺(tái)包括：DFH-3B的南北位保、DFH-4E和SAST5

35、000的全位保、DFH-5和SAST9000的全位保和部分軌道轉(zhuǎn)移、DFH-4SP的全位保和全部軌道轉(zhuǎn)移。GEO衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)用電推進(jìn)可以使平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高有效載荷比、高精度、高分辨率、高穩(wěn)定度和長壽命。其中，位置保持任務(wù)需要13kW單模式中比沖電推進(jìn)，目前技術(shù)成熟度最好的離子和霍爾電推進(jìn)均可滿足需求；軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)需要510kW單模式中比沖電推進(jìn)，位置保持和軌道轉(zhuǎn)移一體化任務(wù)需要110kW雙模式中/高比沖電推進(jìn)，需要新研制雙模式電推進(jìn)產(chǎn)品滿足任務(wù)需求，考慮到節(jié)省推進(jìn)劑效益和雙（多）模式，離子電推進(jìn)更具優(yōu)勢(shì)，在功率限制條件下特別需要大推力時(shí)可選用霍爾電推進(jìn)。（2）機(jī)器人深空探測和載人深空探測主推進(jìn)應(yīng)用需求

36、現(xiàn)有技術(shù)條件支撐下，要完成近地小行星、主帶小行星、太陽系內(nèi)行星等的環(huán)繞、著陸、采樣返回等探測，采用電推進(jìn)作為主推進(jìn)的機(jī)器人探測航天器是最經(jīng)濟(jì)可行的，預(yù)計(jì)我國機(jī)器人深空探測電推進(jìn)應(yīng)用大約在5年后開始，在未來很長時(shí)間上不斷增長。機(jī)器人深空探測航天器主推進(jìn)任務(wù)對(duì)電推進(jìn)技術(shù)要求主要體現(xiàn)在多模式、高比沖和長壽命方面，多模式是太陽能電源隨距離變化的需求，高比沖是節(jié)省推進(jìn)劑的需求，長壽命是探測目標(biāo)遙遠(yuǎn)的需求。任務(wù)分析表明，機(jī)器人深空探測任務(wù)對(duì)多模式電推進(jìn)的需求為：功率范圍110kW、比沖范圍3000s5000s、工作壽命1500040000h，目前技術(shù)成熟度好的離子電推進(jìn)只能滿足12kW中功率應(yīng)用需求，需要

37、研制510kW中功率、高比沖電推進(jìn)新產(chǎn)品。從更長遠(yuǎn)看，登月、近地小行星、火星等載人深空探測也是重要的發(fā)展方向，載人深空探測任務(wù)需要應(yīng)用超大功率、超高比沖的核電推進(jìn)技術(shù)才能完成任務(wù)，因此需要發(fā)展基于MPD和VASIMR類型的電推進(jìn)技術(shù)。（3）LEO衛(wèi)星無拖曳控制和軌道維持等應(yīng)用需求LEO衛(wèi)星將在未來10年有較大的快速發(fā)展，對(duì)電推進(jìn)的應(yīng)用需求包括： = 1 * GB3 以相對(duì)冷氣或化學(xué)推進(jìn)的高比沖優(yōu)勢(shì)，大幅降低推進(jìn)系統(tǒng)總重量，完成長壽命衛(wèi)星的阻尼補(bǔ)償、軌道升降、位置保持和機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制、編隊(duì)飛行、發(fā)射誤差修正等任務(wù)； = 2 * GB3 提供姿態(tài)調(diào)節(jié)與控制、位置保持等需要的精確沖量； = 3 *

38、GB3 支撐較寬范圍推力可快速調(diào)節(jié)的應(yīng)用需求，如無拖曳控制、精確編隊(duì)飛行等。任務(wù)分析表明，LEO小衛(wèi)星軌道維持和軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)對(duì)電推進(jìn)的需求主要在小功率、中比沖范圍，必要時(shí)還可以進(jìn)一步降低到低比沖范圍，小功率單模式離子和霍爾電推進(jìn)即可滿足需求；LEO大型航天器（如空間站）軌道維持對(duì)電推進(jìn)的需求主要在中功率、中比沖范圍，現(xiàn)有中功率單模式離子和霍爾電推進(jìn)即可滿足需求；LEO小衛(wèi)星無拖曳控制任務(wù)不僅需要電推進(jìn)具有連續(xù)可調(diào)工作模式，且最小推力分辨也有要求，需要開發(fā)研制推力連續(xù)可調(diào)的離子電推進(jìn)新產(chǎn)品。（4）地球軌道超大型航天器應(yīng)用需求空間太陽能電站、可重復(fù)使用軌道轉(zhuǎn)移運(yùn)載器、深空探測月球軌道基地、電推進(jìn)上

39、面級(jí)等航天任務(wù)需要大功率電推進(jìn)?；诔墒旒夹g(shù)研發(fā)大功率電推進(jìn)產(chǎn)品是切實(shí)可行的技術(shù)路線，包括多環(huán)離子電推進(jìn)、多通道霍爾電推進(jìn)、離子和霍爾混合電推進(jìn)等。（5）微小衛(wèi)星姿軌控應(yīng)用需求微小衛(wèi)星（包括小、微、納、皮等衛(wèi)星）在未來10年內(nèi)將呈現(xiàn)快速發(fā)展勢(shì)頭，未來我國微小衛(wèi)星對(duì)微小功率電推進(jìn)的應(yīng)用需求包括： = 1 * GB3 以相對(duì)冷氣或化學(xué)推進(jìn)的高比沖優(yōu)勢(shì)，大幅降低推進(jìn)系統(tǒng)總重量，完成長壽命微小衛(wèi)星的阻尼補(bǔ)償、軌道升降、位置保持和機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制、編隊(duì)飛行、發(fā)射誤差修正等任務(wù)； = 2 * GB3 提供姿態(tài)調(diào)節(jié)與控制、位置保持等需要的精確沖量； = 3 * GB3 較寬范圍推力可快速調(diào)節(jié)的應(yīng)用需求，如無拖

40、曳控制、精確編隊(duì)飛行等。參考文獻(xiàn)1 Choueiri E Y. A Critical History of Electric Propulsion:The First 50 Years (19061956) J. Journal of propulsion and power,Vol.20,No.2,2004.2 Kim V，Kozubsky K N and Murashko V M.History of the Hall Thrusters Development in USSRR. IEPC2007-142, 2007.3 Gonzalez J and Saccoccia G. ESA E

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