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1、 1氙气在空间电推进的应用从上世纪 60 年代，美国和苏联就开始了电推进技术的相关研究，并于上世纪 80 年代完成了电推力器工程样机的研制及飞行实验。到上世纪 90 年代末，电推力器开始在卫星上广泛应用。如今，电推进技术越来越成熟，向更高性能方向发展。传统的航天推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术，主要是指液体和固体化学推进。从 1926 年美国人戈达德(Goddard R. H.）研制成以液氧/ 汽油为推进剂的液体火箭发动机至今，化学推进已经有近 80 年的发展历史，目前其理论体系和应用技术基本成熟，发射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特
2、点是可以提供大推力，一直以来是航天领域使用最多的推进技术，而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展，各国竞相出台新太空政策，人类又掀起了新一轮以深空探测为标志的太空探索热潮，而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测的需要。新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的，是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推进的非化学推进。目前，世界各国正在竞相研究各种新型推进技术，以满足未来太空探索的需要，而电推进就是目前各国开发的重点之一。目前，国际上广泛采用的电推进技术主要有两种。一种是离子发动机技术，其比冲约为 30004100s；另一种是霍
3、尔发动机技术，其比冲约为 15001600s。在电推进系统中，需要一种能将电能和机械能相互转化的媒介物质，学名为工质。氙气则是公认的工质。实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得功，而做功通过工质才能传递热在日常生活中，人们对于氙气的认识恐怕只停留在某些汽车品牌使用的氙气大灯上，白色的灯光似乎代表着高端大气，不过这仅仅是对氙气较为浅显的认识。鲜为人知的是，在航天领域，离子电推进与传统的化学推进相比，比冲要大 10 倍。在宇航推进中，表征其性能优劣的主要指标就是推进技术的比冲，也就是消耗单位质量推进剂所能产生的冲量大小。比冲越大，推进技术性能越高。对
4、于同样的宇航任务，电推进携带的推进剂约为化学推进的十分之一，甚至更少。这样对于深空探测任务来说，电推进比化学推进更具优势。在加注氙气中，最棘手的就是如何保证氙气的纯度，不论是购买的氙气源纯度还是加注过程中的氙气 2纯度都需要保证。卫星推进系统中氙气浓度要求最低也要达到 99.995%，其中的水氧含量均不能超过2ppm。ppm 是百万分比浓度单位，也就是说 1 升氙气中，水或氧的含量不能超过 0.002 毫升。一旦超过这个限值，容易造成电推力器阴极氧化，导致其寿命受损。在保证氙气源纯度的同时，还要保证加注前卫星电推进系统、地面加注系统的纯度满足要求。地面氙气源的压力在 6Mpa 左右，首先可以
5、在自由压力的状态下将氙气源落压填充到卫星中，但当氙气源和卫星压力平衡后，我们就需要想办法将氙气源增压。氙气的物理特性非常特殊，在加注过程中要避免固态氙的出现；要保证整个加注过程中氙气的纯度；如果使用传统的增压泵机械加注方式，氙气会将机械做功产生的动能转化为热能，令温度迅速上升。但是，卫星上氙气瓶的温度要求不超过 45。不仅是温度会超标，温度迅速攀升会造成加注过程中氙气压力的不断增加，可能在氙气加注完成之前卫星内部的气压就超过了设计值。近年来，在卫星研制领域，“电推进”可谓是不折不扣的热词。说它“热”，一方面是因为它为卫星“减负”、“助力”，成为人类向更深更远太空进发的必备利器；另一方面，它正在
6、以提高商业卫星市场竞争力的方式，深刻改变着卫星的市场格局。电推进应用情况介绍自 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 年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 年1980 年为地面和飞行试验阶段，美国完成汞离子电推进飞行试验，俄罗斯完成 SPT 霍尔电推进飞行试验;1980 年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应用，日本、德国等其它国家的电推进也开始飞行试验
7、;2000 年至今为电推进技术和应用快速发展阶段。美国波音公司在 BSS-601HP 平台卫星上继续应用 XIPS-13 离子电推进系统完成南北位保任务，2000年以来成功发射了Galaxy4R、Galaxy10R、PAS9、DirecTV4S、Astra2C、PAS10、AsiaSat4、Galaxy13 、Measat 、SES-7 等 10颗卫星，使得应用 XIPS-13 离子电推进系统的卫星总数达到 18 颗。波音公司继续在 BSS-702 平台卫星上应用 XIPS-25 完成全部位置保持任务， 2000 年以来成功发射了AnikF1、PAS1R 、XM1、XM2 、Galaxy3C、
8、AnikF2、XM3、Spaceway1、Spaceway2、XM4、WGS1、Spaceway3、DIRECTV10、DIRECTV11 、DIRECTV12 、WGS2、WGS3、WGS4、WGS5 等 19 颗卫星，使得应用 XIPS-25 离子电推进系统的卫星总数达到 20 颗。 3美国空间系统牢拉公司在 LS-1300 平台上应用 SPT-100 霍尔电推进系统完成南北位保任务，自 2004年首发以来成功发射了MBSat1、Telstar8 、Thaicom4、NSS12 、XM5 、Telstar11N 、SiriusFM5 、QuetzSat1、SiriusFM6、SES5 等
9、10 颗卫星。欧洲阿斯特里姆公司在 EUROSTAR-3000 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，自 2004 年首发以来成功发射了 Intelsat10-02、 Inmarsat4-F1、Inmarsat4-F2、Inmarsat4-F3、Ka-Sat、YahSat1A 、YahSat1B 等 7 颗卫星。欧洲泰丽斯-阿莱尼亚公司在 SPACEBUS-4000C 平台上应用 SPT-100 霍尔电推进系统完成南北位保任务，自 2005 年首发以来成功发射了 AMC12、AMC23、Giel2、EutelsatW2A、EutelsatW7、Eut
10、elsatW3B等 6 颗卫星。俄罗斯应用力学联合体继续在 MSS-2500 等平台应用 SPT-100 系列霍尔电推进系统完成全部位保任务，自 2000 年以来成功发射了 ExpressA2、SESAT、ExpressA3、ExpressA4(1R)、ExpressAM22、 ExpressAM11、ExpressAM1 、ExpressAM2 、ExpressAM3、ExpressAM33、ExpressAM44等 11 颗卫星。俄罗斯能源设计局在 YAMAL-100 平台卫星上应用 SPT-70 霍尔电推进系统完成全部位保任务，2003年成功发射了 Yamal-201 和 Yamal-2
11、02 等 2 颗卫星。美国洛马公司在 A2100M 平台上开始应用 BPT-4000 霍尔电推进完成南北位保任务，自 2010 年首发以来成功发射了 AEHF-1、AEHF-2 等 2 颗卫星，后续计划中还有 2 颗卫星待发射，4 颗卫星在研制。欧洲最新 ALPHABUS 平台确定采用 Snecma 公司的 PPS-1350 霍尔电推进系统完成南北位保任务，已经完成首发卫星电推进产品交付，计划于 2013 年发射。2007 年启动的欧洲小型 GEO 平台将采用 SPT-100和 HEMP-3050 组合的电推进系统完置保持。中国 DFH-3B 试验卫星将采用 LIPS-200 离子电推进系统完
12、成15 年南北位置保持任务，计划 2015 年发射。1998 年 10 月美国发射的深空一号(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，开关机 200 多次，共消耗氙气 73.4kg，产生速度增量 4.3km/s。2003 年 5 月日本发射的隼鸟号(Hayabusa)航天器应用 4 台 -10 微波离子电推进系统完成 S 类近地小行星丝川(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
13、、消耗氙气 47kg、产生速度增量 2.2km/s，单台推力器最长工作时间达到 14830h、1805 次开关。2003 年 9 月欧洲发射智慧一号(SMART-1)航天器应用单台 PPS-1350 霍尔电推进系统完成月球探测主推进任务，2005 年完成了月球探测使命最终坠落月球表面。在整个飞行任务中电推进累计工作近 5000h，由于推进系统的良好性能，使得航天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。2007 年 9 4月美国发射的黎明号(Dawn)航天器应用 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
14、主推进任务，航天器于 2011 年 7 月实现 Vesta 的轨道捕获，2012 年 9 月完成为期 1 年的 Vesta 科学探测任务并离开，电推进累计工作 25000h、消耗氙气 262kg、产生速度增量7km/s。目前航天器正在奔向 Ceres 的征途中，计划 2015 年到达。日本计划于 2014 年发射的隼鸟二号(Hayabusa-2)航天器将继续采用 4 台 -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，航天器计划 2017 年到达 1999JU3 并采样，2020 年返回地球。ESA 和 JAXA 联合研制的水星探测贝布克伦布(Bepicolombo
15、) 航天器将应用 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，航天器计划 2015 年发射，2021 年到达水星。电推进系统在整个任务中提供不少于 5km/s 的速度增量，推力器累计工作 20000h 以上。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 年中期实施。ESA 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。NASA 正在开始进行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 400kmLEO 到地月 L2 的轨道转移，计划 2018 年飞行。中国正在论证应用 LIPS-200+离子电推进系统完成近地小行星探测的技术方案。优势： 为卫星瘦身增力正如发动机是汽车的核心一样，推进系统也是卫星的核心，它是卫星运行过程中动力的来源。随着科技的进步，推进技术的更新换代将为人类探索宇宙奥秘提供更加强大的动力引擎。因此，相较于化学推进系统，在某些方面更具优势的电推进技
