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1、电推进技术的 发展及卫星应用,兰州空间技术物理研究所 2014年10月,内容提要,电推进的基本概念 电推进的技术发展 电推进的卫星应用 我国电推进的发展与应用,一、电推进的基本概念,电推进把外部电能转换为推进剂喷射动能，也就是说电推进的动力能源来自电能，而化学推进的能源来自化学能。,一、电推进的基本概念,从工作原理上分为电热、静电、电磁、新型四大类 电热 电阻加热 电弧加热,一、电推进的基本概念,从工作原理上分为电热、静电、电磁、新型四大类 静电 离子-应用主流 霍耳-应用主流,一、电推进的基本概念,从工作原理上分为电热、静电、电磁、新型四大类 电磁 脉冲等离子体（PPT） 磁等离子动力学（M
2、PD）,一、电推进的基本概念,从工作原理上分为电热、静电、电磁、新型四大类 新型 可变比冲磁等离子体（VASIMR）,一、电推进的基本概念,电推进的主要特点 比冲高 调节推力方便 推力小、工作时间长 需要电源太阳能、核能 安全性好,一、电推进的基本概念,电推进相对化学推进的最大优势是比冲高一个量级，由此节省大量推进剂，用于增加有效载荷、降低发射重量、延长工作寿命等,一、电推进的基本概念,对现代航天器而言，应用电推进的必要性和重要越来越凸显 赢得通信卫星市场竞争的筹码，包括降低成本、提升性价比、工作延长寿命等方面,一、电推进的基本概念,对现代航天器而言，应用电推进的必要性和重要越来越凸显 完成深
3、空探测任务的利器，包括降低成本、降低对发射窗口依赖程度、现有条件下可实现等方面,一、电推进的基本概念,对现代航天器而言，应用电推进的必要性和重要越来越凸显 支撑空间科学试验的必备，包括无拖曳控制、编队飞行、精确姿态和轨道控制等,一、电推进的基本概念,对现代航天器而言，应用电推进的必要性和重要越来越凸显 其他航天器任务的优选 LEO/MEO等大、中、小卫星都可以根据需求选用合适的电推进 不是所有航天器都适合应用电推进！,一、电推进的基本概念,电推进系统 最简单系统,一、电推进的基本概念,电推进系统 航天器应用系统,二、电推进的技术发展,1902年俄罗斯的齐奥尔科夫斯基和1906年美国的哥达德第一
4、次提出电推进的概念 电推进技术的发展历史可以用美国离子电推进和俄罗斯霍尔电推进发展史来代表,齐奥尔科夫斯基,哥达德,考夫曼,莫罗佐夫,二、电推进的技术发展,1902年1964年：概念提出和原理探索阶段，美国、英国、德国等研制出离子电推进样机，俄罗斯研制出霍尔电推进样机 1964年1980年：样机研制和飞行试验阶段，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,二、电推进的技术发展,1980年2000年：航天器开始接受和初步应用阶段，俄罗斯的霍尔电推进和美国的离子型电推进相继应用，其他国家的电推进开始飞行试验 2000年至今：技术和应用扩展阶段，电推进技术快速发展，电推进应用
5、不断扩展,二、电推进的技术发展,发展现状概括 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中国、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 国际合作日益加强：1991年SS/L和俄罗斯火炬设计局联合成立国际空间技术公司（ISTI）向西方推广SPT-100电推进,目前已经形成LS-1300、ES-3000、SB-40000平台的批量应用；2010年美国AEROJET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,二、电推进的技术发展,发展现状概括 系列产品正在形成：美国L-3公司的XIPS离子系列、B
6、usek公司的BHT霍尔系列、AMPAC-ISP公司的T霍尔系列、日本的微波系列、英国T离子系列、德国RIT射频系列、俄罗斯SPT霍尔系列,XIPS-8,XIPS-13,XIPS-25,NASTAR-30,NEXT-36,SPT-290,SPT-140,SPT-100,SPT-70,SPT-50,二、电推进的技术发展,发展现状概括 高功率电推进发展：除了传统的数百千瓦高功率MPD电推进外，美国HiPEP离子推力器功率为34 kW、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VASIMR类型电推进VX-200功率达到200kW,NA
7、SA-457,HiPEP,MPD,二、电推进的技术发展,发展现状概括 微小功率电推进发展：除了FEEP、PPT等传统推力器外，德国RIT-2.5、Busek公司BFRIT-1、日本-1等的功率只有数十瓦, 完全有可能取代FEEP实现工程应用,RIT-2.5,-1,PPT,二、电推进的技术发展,发展现状概括 离子和霍尔推力器长寿命验证取得新突破。XIPS-13和NSTAR-30寿命验证达到30000h，NEXT推力器的寿命验证已经超过50000h，PPS-1350G推力器的寿命验证达到10000h，BPT-4000的寿命验证预计超过20000h,PPS-1350G,二、电推进的技术发展,发展现状
8、概括 电推进新技术不断扩展，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 非传统类型VASIMR、多环离子推力器和多通道霍尔推力器大功率电推进 DS4G多级离子推力器成为超高比冲的主要技术途径 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MPD、双极PPT、无电极等离子体 氪气、氮气、碘、镁、铋、纳米颗粒等推进剂,三、电推进的卫星应用,电推进应用主要范围 GEO卫星位置保持-主导性应用 深空探测航天器巡航主推进未来主流性应用 地球卫星轨道转移正在扩展性应用 无拖曳控制技术支撑性应用 姿态控制、轨道维持、位置机动等可选性应用,三、电推进的卫星应用
9、,电推进应用主要类型 离子类型直流、微波、射频等，30多颗星/器 霍尔类型SPT, 30多颗星/器 电热/电弧类型早期多,现微小小卫星,50多颗卫星 PPT类型姿态控制,4颗卫星 其他类型飞行试验 离子和霍尔为主流,三、电推进的卫星应用,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之一:GEO卫星东西位保(EWSK) 1982年俄罗斯首次应用SPT-70于Kosmos 4台推力器系统 到2000年发射Kosmos和Luch系列卫星总计15颗卫星,Luch-1,Kosmos,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 1981年TRW公司肼电热首次应用于Intelsat-5
10、02 1983年AR公司MR-501肼电热应用于Satcom-1R 1987年AR公司MR-502肼电热开始应用,并延续至今 肼电热先后应用于150个航天器(包括95颗铱星),Intelsat-502,Satcom-1R,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 1993年AR公司肼电弧首次应用于洛马Telstar-401 AR公司MR510肼电弧一直应用于洛马公司A2100平台 MR510的主要性能:功率2kW、比冲585s、寿命1730h,A2100,Telstar-401,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 1997年
11、L-3公司的XIPS-13首次应用于波音公司PAS-5 BSS-601HP先有平台，改造和增强后应用电推进系统 截止2014年总计发射BSS-601HP卫星19颗,PAS-5,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 1997年日本的IES-12首次应用于ETS-6 总计发射DS-2000卫星3颗,ETS-8,ETS-8,DS-2000,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 2004年SS/L公司首次应用SPT-100于MBSat-1 截止2014年总计发射LS-1300平台卫星11颗,MBSat-1,三、电推进的卫星应用,电
12、推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 2004年Astrium公司应用SPT-100于Intelsat10-02 截止2014年总计发射Eurostar-3000平台卫星8颗,Inmarsat-4,Intelsat10-02,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 2005年泰丽斯-阿莱尼亚公司应用SPT-100于AMC-12 截止2014年总计发射SB-4000C平台卫星8颗,SB-4000C,ASTRA-1K,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之二:GEO卫星南北位保(NSSK) 2010年洛马公司应用BPT-4000于AEHF-1 截止20
13、14年总计发射A2100M平台卫星4颗,BPT-4000,AEHF-1,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之三:GEO卫星全位保(NSSK+EWSK) 1994年火炬局SPT-100首次应用于Gals-1和Express-11 截止2014年总计发射MSS-2500等平台卫星13颗,Express-AM,Express-A,Gals-1,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之三:GEO卫星全位保(NSSK+EWSK) 1999年L-3公司XIPS-25首次应用于波音公司Galaxy-11 BSS-702平台针对应用电推进系统设计 截止2014年总计发射BSS-702卫星24颗,Galaxy-
14、11,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之三:GEO卫星全位保(NSSK+WESK) 2013年欧洲最新AlphaBus平台应用PPS-1350，1颗,Alphasat,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之四:GEO卫星全位保+部分轨道转移 2003年俄罗斯YAMAL-201/2卫星应用SPT-70 2005年开始波音公司BSS-702应用XIPS-25系统 截止2014年总计发射BSS-702卫星20颗,YAMAL-201,BSS-702,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之五:GEO全电推进卫星 2015年波音首发全电卫星ABS-3A和SATMEX-7 BSS-702SP已经有7颗卫
15、星定货（商业4+政府3） ABS-3A+Eutelsat 115, ABS-2A+Eutelsat 117,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之五:GEO全电推进卫星 ESA和OHB正在开发全电推进小平台SGEO，SPT-100和HEMP-3050组合，2016年首发,HAG1,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之五:GEO全电推进卫星 各大通信卫星公司都开始全电卫星平台开发 2013年10月SES、ESA、OHB联合开发Electra，2017年首发,Electra平台,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之五:GEO全电推进卫星 各大通信卫星公司都开始全电卫星平台开发 2014年7月，
16、SES订购ADS（Airbus Defence and Space）公司基于E3000 平台的2颗全电推进卫星，Eutelsat 172B和SES-12均于2017年发射,Eutelsat -172B,13 kW 3500 kg 14C+36Ku,SES-12 19 kW 5300 kg 8Ka+68Ku,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之五:GEO全电推进卫星 各大通信卫星公司都开始全电卫星平台开发 2013年9月洛马公司宣布增强A2100平台到全电 2014年5月，法国Thales Alenia Space和Snecma宣布联合开发新一代SB全电平台， PPS 5000 LL/S公司也表达过兴趣,A2100平台,三、电推进的卫星应用,电推进卫星应用之六:无拖曳控制 2009年欧洲GOCE卫星,获得最高精度全球重力场数据 计划2017年发射的LISA探路者应用胶体和FEEP电推进完成超精确无拖曳控制,GOCE卫星,引力场,三、电推进的卫星应用,电推进卫
