進(jìn)入黃金時(shí)代的電推進(jìn)技術(shù)

□ 王彬若 楊磊

2015年7月5日至10日，中國(guó)宇航學(xué)會(huì)組織代表團(tuán)赴日本參加第30屆國(guó)際空間科學(xué)技術(shù)研討會(huì)、第34屆國(guó)際電推進(jìn)研討會(huì)和第6屆納衛(wèi)星研討會(huì)，代表團(tuán)成員為來(lái)自中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院、中國(guó)空間技術(shù)研究院等單位的領(lǐng)導(dǎo)、專(zhuān)家和科技工作者。

國(guó)際空間科學(xué)技術(shù)研討會(huì)是日本主導(dǎo)的引領(lǐng)國(guó)際空間技術(shù)的大會(huì)。旨在為日本研究人員，尤其是年輕學(xué)者和學(xué)生提供參加國(guó)際交流活動(dòng)的平臺(tái)，促進(jìn)日本空間科學(xué)技術(shù)研究，本次會(huì)議的主題是“空間探索——促進(jìn)更好的地球生活”。隨著世界空間研究活動(dòng)的發(fā)展，目前該研討會(huì)議已不僅局限于日本，而是發(fā)展成為關(guān)于航天技術(shù)、航天醫(yī)藥和法律等研究領(lǐng)域的世界第二大國(guó)際性空間科學(xué)技術(shù)交流會(huì)。

國(guó)際電推進(jìn)研討會(huì)是世界航天器電推進(jìn)研究領(lǐng)域的技術(shù)交流論壇，為電推進(jìn)技術(shù)的學(xué)者和工程師提供了世界范圍內(nèi)的交流平臺(tái)，在技術(shù)交流、信息共享方面發(fā)揮了重要的作用。

納衛(wèi)星研討會(huì)是日本東京大學(xué)組織、Hodoyoshi項(xiàng)目支持的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，主要對(duì)微小衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展和實(shí)踐應(yīng)用情況進(jìn)行交流，會(huì)議議題涵蓋了微衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星的各研究領(lǐng)域。

值得一提的是，今年是上述三個(gè)研討會(huì)首次聯(lián)合舉辦，吸引了多個(gè)國(guó)家和地區(qū)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的1000余名代表參會(huì)，盛況空前。

會(huì)上，來(lái)自德國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、日本五國(guó)航天局的代表，分別介紹了各自國(guó)家航天項(xiàng)目的發(fā)展情況和成就，以及本國(guó)未來(lái)的航天重點(diǎn)工程項(xiàng)目和計(jì)劃。

德國(guó)未來(lái)宇航探索面臨的挑戰(zhàn)：建立更強(qiáng)大的國(guó)際空間站合作關(guān)系；在人機(jī)合作關(guān)系下如何來(lái)定義科學(xué)導(dǎo)向活動(dòng)；為所有合作伙伴開(kāi)拓可持續(xù)發(fā)展道路。

法國(guó)國(guó)家空間研究中心的五大空間戰(zhàn)略計(jì)劃：國(guó)家防御、太空科學(xué)、宇航產(chǎn)品對(duì)大眾的應(yīng)用、進(jìn)入太空、地球環(huán)境和氣候。

韓國(guó)的太空探索活動(dòng)及實(shí)現(xiàn)外層空間探索的夢(mèng)想：將在10年內(nèi)完成月球軌道飛行器和登陸車(chē)，20年內(nèi)完成月球返回飛行器的樣品及火星軌道飛行器和登陸車(chē)，30年內(nèi)完成小行星返回飛行器的樣品和外層空間的任務(wù)。

美國(guó)的空間任務(wù)規(guī)劃：重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向火星探測(cè)，計(jì)劃于2016年再發(fā)射一顆火星軌道器，然后分別于2016年年底、2018年和2020年發(fā)射無(wú)人火星著陸器進(jìn)行火星生命以及其他科學(xué)探測(cè)。

日本的太空探索活動(dòng)：制定了近地軌道、載人登月以及載人火星探測(cè)等各類(lèi)型的航天任務(wù)，并認(rèn)為人類(lèi)未來(lái)50年航天任務(wù)的終極是實(shí)現(xiàn)載人火星探測(cè)。計(jì)劃今年12月7日發(fā)射金星氣候軌道飛行器，用于觀察金星大氣層，并與地球進(jìn)行對(duì)比研究。未來(lái)太空探索創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)：利用產(chǎn)業(yè)知識(shí)和技能建立一套本土化系統(tǒng)；聚集各個(gè)領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家來(lái)協(xié)力合作；邀請(qǐng)海外知名研究人員在亞洲范圍內(nèi)設(shè)立一個(gè)太空探索研究中心；吸引各領(lǐng)域人才。

目前，電推進(jìn)技術(shù)的空間應(yīng)用越來(lái)越廣泛。電推進(jìn)系統(tǒng)可顯著增加航天器的有效載荷、延長(zhǎng)其使用壽命、降低發(fā)射成本，可廣泛應(yīng)用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持、阻力補(bǔ)償、軌道提升、修正及轉(zhuǎn)移、深空探測(cè)和星際航行等任務(wù)。在本屆國(guó)際電推進(jìn)研討會(huì)上，日本、歐空局、俄羅斯、美國(guó)等國(guó)家介紹了各自在電推進(jìn)技術(shù)方面的所取得的最新進(jìn)展和成果。

日本都立大學(xué)的竹原教授介紹了日本電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。繼“隼鳥(niǎo)”號(hào)之后，日本宇宙探索局又開(kāi)發(fā)了使用微波離子推進(jìn)器的“隼鳥(niǎo)”2號(hào)，該探測(cè)器將進(jìn)一步鞏固日本在深空探測(cè)領(lǐng)域的地位。此外，日本眾多大學(xué)也開(kāi)展了各種空間電推進(jìn)器的探索性研究，包括東京大學(xué)研發(fā)的離子推進(jìn)器、脈沖等離子體推進(jìn)器，大阪理工大學(xué)的PROITERES納星及其搭載的脈沖

用于DubaiSat-2衛(wèi)星的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器及其微波放電中和器等離子體推進(jìn)器等。

歐空局的電推進(jìn)部門(mén)主管Jose Gonzalez del Amo先生從通訊、導(dǎo)航等領(lǐng)域系統(tǒng)地介紹了歐空局近年來(lái)關(guān)于電推進(jìn)方面的發(fā)展。重點(diǎn)介紹了歐洲大型通信衛(wèi)星平臺(tái)——Alphabus平臺(tái)的開(kāi)發(fā)情況：研發(fā)Alphabus平臺(tái)的首要目標(biāo)是確保歐洲衛(wèi)星制造業(yè)在世界范圍提供有效載荷功率在12千瓦以上超大型通信衛(wèi)星的競(jìng)爭(zhēng)力，平臺(tái)使用霍爾效應(yīng)推進(jìn)器，這是歐洲在大型通信衛(wèi)星平臺(tái)上首次使用電推進(jìn)系統(tǒng)。此外，歐空局“伽利略”導(dǎo)航系統(tǒng)的全新升級(jí)——“伽利略”2G項(xiàng)目計(jì)劃在2020年啟動(dòng)。該項(xiàng)目將采用電推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)承擔(dān)衛(wèi)星從入射軌道（近地軌道或地球同步轉(zhuǎn)移軌道)轉(zhuǎn)移至目標(biāo)軌道（中地球軌道或傾斜地球同步軌道)的任務(wù)，目前備選的電推進(jìn)系統(tǒng)包括離子推進(jìn)器、霍爾效應(yīng)推進(jìn)器等。

來(lái)自俄羅斯電推進(jìn)研究的核心單位——莫斯科航空研究所的Khartov先生重點(diǎn)介紹了莫斯科航空研究所在電推進(jìn)領(lǐng)域的研究成果。其中，在大電流等離子體推進(jìn)器、靜電推進(jìn)器、等離子體熱物理以及航天器發(fā)電系統(tǒng)等方面，均取得了新的突破。而如何處理發(fā)電系統(tǒng)與電推進(jìn)系統(tǒng)在航天器的集成問(wèn)題也是莫斯科航空研究所今后重點(diǎn)研發(fā)的方向。

近年來(lái)，俄羅斯的應(yīng)用力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)研究所一直致力于研制可用于同步衛(wèi)星南北位置保持的高性能脈沖等離子體推進(jìn)器。Antropov教授重點(diǎn)介紹了APPT-95M型脈沖等離子體推進(jìn)器在IONOZOND星座中的應(yīng)用。該星座包括4顆IONOSFERE衛(wèi)星和1顆ZOND衛(wèi)星，ZOND衛(wèi)星的軌道修正系統(tǒng)采用APPT-95M推進(jìn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道相位的保持。相比于其他電推進(jìn)器，脈沖等離子體推進(jìn)器微牛級(jí)的沖量且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)勢(shì)使其更適宜低功耗近地軌道衛(wèi)星的精準(zhǔn)姿控。

美國(guó)空間系統(tǒng)/羅拉公司的Delgado先生介紹了該公司通信衛(wèi)星電推進(jìn)分系統(tǒng)的情況。該電推進(jìn)分系統(tǒng)主要基于SPT-100平臺(tái)，包括4臺(tái)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器SPT-100、8個(gè)氙氣流量控制器、2個(gè)功率調(diào)節(jié)單元、2個(gè)氙氣儲(chǔ)箱及推進(jìn)劑管理裝置。SPT-100平臺(tái)是俄羅斯法克爾設(shè)計(jì)局霍爾效應(yīng)推力器商業(yè)應(yīng)用的典范。20世紀(jì)末美國(guó)空間系統(tǒng)/羅拉公司與俄羅斯法克爾設(shè)計(jì)局等公司合作經(jīng)銷(xiāo)霍爾效應(yīng)推進(jìn)器。法國(guó)的“宏聲”通訊衛(wèi)星和美國(guó)航宇局的“中型探測(cè)器”都將其作為輔助推進(jìn)系統(tǒng)。目前，SPT-100已經(jīng)應(yīng)用在空間系統(tǒng)/羅拉公司的17顆地球同步軌道衛(wèi)星上，累計(jì)工作時(shí)間超過(guò)4萬(wàn)小時(shí)。超過(guò)十年在軌運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)表明：SPT電推進(jìn)分系統(tǒng)的在軌運(yùn)行不會(huì)影響衛(wèi)星系統(tǒng)諸如太陽(yáng)能電池陣列、通訊系統(tǒng)及姿態(tài)控制等的正常性能。Delgado先生還介紹了尚在建造中的15顆搭載SPT電推進(jìn)分系統(tǒng)的衛(wèi)星，其中一顆衛(wèi)星將使用更大功率的SPT-140子系統(tǒng)平臺(tái)。

會(huì)議期間，代表團(tuán)還參觀訪問(wèn)了神戶(hù)大學(xué)綜合研究中心、理化學(xué)研究所先進(jìn)科學(xué)計(jì)算研究所、空客直升機(jī)日本有限公司等機(jī)構(gòu)，并與國(guó)際宇航聯(lián)合會(huì)、日本宇宙探索局、日本宇航學(xué)會(huì)、日本火箭學(xué)會(huì)等多家航天國(guó)際組織進(jìn)行了會(huì)面，在此基礎(chǔ)上建立關(guān)系并進(jìn)一步推進(jìn)雙方的合作。