空间电推进的技术发展及应用

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1、空间电推进的技术发展及应用张伟文;张天平【摘 要】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离子电推进系统(LIPS-200 )(其束流直径为200mm )地面寿命及 可靠性试验累计工作时间达到6000h，开关机3000次，具备确保卫星在轨可靠 运行 15 年的能力。另外，航天推进技术研究院上海空间推进研究所的霍尔电推进 技术也取得了重大突破一80mN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。期刊名称】国际太空年(卷),期】2015(000

2、)003【总页数】8页(P1-8) 【作 者】 张伟文;张天平【作者单位】 兰州空间技术物理研究所;兰州空间技术物理研究所【正文语种】 中 文近日，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离子电推进系统(LIPS-200 )(其束流直径为200mm )地面寿命及可靠性试验 累计工作时间达到6000h，开关机3000次，具备确保卫星在轨可靠运行15年的 能力。另外，航天推进技术研究院上海空间推进研究所的霍尔电推进技术也取得了重大突破一80mN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

3、满 足我国通信卫星系列平台的发展需求。1 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

4、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。2 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 4 个阶

5、段： 19021964 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； 19641980 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； 19802000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。L-3公司的XIPS-25零部件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

6、 公司的BHT霍尔系列、AMPAC-ISP公司的T霍尔系列、日本的p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。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HiP

7、EP离子推力器功率为34kW、德国RIT- 45射频推力器预期功率35kW , GRCNASA - 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 - 2004 ）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R I T-2.5、B u s e k公司BFRIT -1、日

8、本M- 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

9、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

10、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2.0x105h,霍尔电 推进累计工作时间接近1.0x105h。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 XIPS25 完成全部位置保持

11、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 S

12、PT- 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 欧洲斯玛特-1 月球探测器2 )深空探测航天器主推进任务。

13、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”(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2.5x104h、产生速度增量 7km/s。目前该探测器已进入谷神星

14、轨道。2003年5月日本发射的“隼鸟”（Hayabusa ）小行星探测器应用4台“-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日发射的隼鸟一2 （Hayabusa 一2）小行 星探测器将继续采用4台m-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。 欧日联合研制的 “贝皮-科伦布”水星探测器 2003年9月欧

15、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了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”（Bepi-colombo ）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

16、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。美国“先进极高频”卫星 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30000km、远地点约42000km、倾角 0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 -