空間電推進(jìn)的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

張偉文 張?zhí)炱剑ㄌm州空間技術(shù)物理研究所）

近日，由中國空間技術(shù)研究院蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的中國首個衛(wèi)星用離子電推進(jìn)系統(tǒng)（LIPS-200）（其束流直徑為200mm）地面壽命及可靠性試驗(yàn)累計(jì)工作時間達(dá)到6000h，開關(guān)機(jī)3000次，具備確保衛(wèi)星在軌可靠運(yùn)行15年的能力。另外，航天推進(jìn)技術(shù)研究院上?？臻g推進(jìn)研究所的霍爾電推進(jìn)技術(shù)也取得了重大突破—80mN霍爾推力器的空心陰極長壽命試驗(yàn)突破18000h，這標(biāo)志著我國自主研制的電推進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，將全面邁入工程應(yīng)用階段，能夠滿足我國通信衛(wèi)星系列平臺的發(fā)展需求。

1 引言

電推進(jìn)又稱為電火箭，它是把外部電能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)劑噴射動能的火箭類型。根據(jù)把電能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)劑動能的工作原理，電推進(jìn)可分為電熱型、靜電型、電磁型、新型四大類，目前，同屬靜電類型的離子電推進(jìn)和霍爾電推進(jìn)的技術(shù)最成熟、應(yīng)用也最廣泛。由于突破了傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)噴射動能受限于推進(jìn)劑化學(xué)內(nèi)能的約束，電推進(jìn)很容易實(shí)現(xiàn)比化學(xué)推進(jìn)高一個量級的比沖性能。在航天器上應(yīng)用高比沖推進(jìn)系統(tǒng)可以節(jié)省大量推進(jìn)劑，從而增加航天器有效載荷、降低發(fā)射質(zhì)量、延長工作壽命等。電推進(jìn)除了具有高比沖的顯著優(yōu)勢外，還具有推力調(diào)節(jié)方便、推力小、工作壽命長、安全性好、需要電能源等主要特點(diǎn)。

對于現(xiàn)代航天器而言，應(yīng)用電推進(jìn)的必要性和重要性越來越凸顯。例如，商業(yè)通信衛(wèi)星應(yīng)用電推進(jìn)后可以降低成本、提升性價比、延長工作壽命，所以電推進(jìn)是贏得市場競爭的重要籌碼；在深空探測領(lǐng)域，應(yīng)用電推進(jìn)可以降低成本、減小對發(fā)射窗口依賴程度、在現(xiàn)有條件下到達(dá)更遠(yuǎn)目標(biāo)，因此它是目前和未來高效完成深空探測任務(wù)的利器；對于包括無拖曳控制、編隊(duì)飛行、精確姿態(tài)和軌道控制等空間科學(xué)試驗(yàn)而言，電推進(jìn)更是不可或缺的支撐和必備技術(shù)。

2 國外電推進(jìn)發(fā)展及應(yīng)用

技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

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)走過了一個多世紀(jì)的歷程，大致分4個階段：1902－1964年為概念提出和原理探索階段，美國、英國、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)；1964－1980年為地面和飛行試驗(yàn)階段，美國完成了汞離子電推進(jìn)飛行試驗(yàn)，俄羅斯完成了SPT霍爾電推進(jìn)飛行試驗(yàn)；1980－2000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)相繼投入應(yīng)用，日本、德國等其他國家的電推進(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。

L-3公司的XIPS-25零部件

當(dāng)前國外電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢可以歸納為7個方面。

1）正在形成系列化電推進(jìn)產(chǎn)品。它包括美國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μ微波系列、英國T離子系列、德國RIT射頻系列、俄羅斯SPT霍爾系列等。

2）離子和霍爾推力器長壽命驗(yàn)證取得新突破。離子推力器XIPS－13和NSTAR－30的壽命驗(yàn)證達(dá)到30000h，NEXT的壽命驗(yàn)證已經(jīng)超過50000h；霍爾推力器PPS－1350G的壽命驗(yàn)證達(dá)到10000h，BPT－4000的壽命驗(yàn)證超過20000h，磁屏效應(yīng)為霍爾推力器的長壽命問題解決帶來希望。

3）為滿足軌道轉(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)百千瓦高功率磁等離子體動力電推進(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35kW，GRCNASA－457霍爾推力器功率73kW，美國火箭公司的可變比沖磁火箭（VASIMR）類型電推進(jìn)VX－200功率達(dá)到200kW。環(huán)型離子推力器和DS4G多級離子推力器已成為離子推力器實(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。

美國火箭公司的可變比沖磁火箭類型電推進(jìn)VX－200

4）微小功率電推進(jìn)進(jìn)一步發(fā)展。除了場效應(yīng)發(fā)射推進(jìn)（FEEP）、脈沖等離子體推力器（PPT）等傳統(tǒng)推力器外，德國R I T－2.5、B u s e k公司BFRIT－1、日本μ－1等的功率只有數(shù)十瓦, 完全有可能取代場效應(yīng)發(fā)射推進(jìn)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

5）電推進(jìn)新技術(shù)持續(xù)發(fā)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。其中的新技術(shù)類型包括：氣體動力鏡推力器、真空弧推力器、電動拖船、吸氣電磁推進(jìn)、螺旋波源無電極磁等離子體動力、雙極PPT、無電極等離子體等，不同推進(jìn)劑包括氪氣、氮?dú)?、碘、鎂、鉍、納米顆粒等。

6）國家和部門不斷增多。從美國、俄羅斯、日本、德國、英國、法國、意大利等發(fā)達(dá)國家擴(kuò)展到巴西、烏克蘭、韓國、印度和以色列等發(fā)展中國家。每個國家電推進(jìn)技術(shù)研究部門日益增加。

7）國際合作日益加強(qiáng)。1991年美國勞拉空間系統(tǒng)公司和俄羅斯火炬設(shè)計(jì)局聯(lián)合成立國際空間技術(shù)公司向西方推廣SPT－100電推進(jìn)。2010年美國航空噴氣公司和日本NEXC簽署協(xié)議聯(lián)合開發(fā)低功率離子電推進(jìn)系統(tǒng)在美國的宇航市場。

航天器應(yīng)用情況

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、脈沖等離子推力器等，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。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。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，離子電推進(jìn)累計(jì)工作時間接近2.0×105h，霍爾電推進(jìn)累計(jì)工作時間接近1.0×105h。電推進(jìn)的主用應(yīng)用包括地球靜止軌道位置保持、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，其中靜止軌道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。其應(yīng)用領(lǐng)域如下。

1）靜止軌道通信衛(wèi)星位置保持任務(wù)。美國波音公司在波音衛(wèi)星系統(tǒng)－601HP（BSS－601HP）衛(wèi)星平臺應(yīng)用XIPS－13離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成南北位保任務(wù),發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量18顆；波音公司在波音衛(wèi)星系統(tǒng)－702衛(wèi)星平臺衛(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。美國勞拉空間系統(tǒng)公司在勞拉－1300（LS－1300）衛(wèi)星平臺上應(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；歐洲阿斯特留姆公司的歐洲星－3000（Eurostar－3000）衛(wèi)星平臺上應(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；歐洲泰雷茲-阿萊尼亞公司在空間客車－4000C（SpaceBus－4000C）衛(wèi)星平臺上應(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等衛(wèi)星平臺應(yīng)用SPT－100系列霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部位保任務(wù)，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量11顆；美國洛馬公司在A2100M衛(wèi)星平臺上開始應(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“阿爾法”衛(wèi)星平臺（Alphabus）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年啟動的歐洲小型地球靜止軌道衛(wèi)星平臺將采用SPT－100和HEMP－3050組合的電推進(jìn)系統(tǒng)完成位置保持。

應(yīng)用BPT－4000霍爾電推進(jìn)的洛馬公司A2100M衛(wèi)星平臺

歐洲斯瑪特－1月球探測器

2）深空探測航天器主推進(jìn)任務(wù)。1998年10月美國發(fā)射的深空－1（DS－1）航天器應(yīng)用單臺NSTAR－30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成小行星探測的主推進(jìn)任務(wù)，在歷時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，產(chǎn)生速度增量4.3km/s。2007年9月美國發(fā)射的“黎明”（Dawn）小行星探測器應(yīng)用3臺NSTAR－30離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成對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月進(jìn)入灶神星的軌道，2012年9月完成為期1年的灶神星科學(xué)探測任務(wù)并離開，電推進(jìn)累計(jì)工作2.5×104h、產(chǎn)生速度增量7km/s。目前該探測器已進(jìn)入谷神星軌道。2003年5月日本發(fā)射的“隼鳥”（Hayabusa）小行星探測器應(yīng)用4臺μ－10微波離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成S類近地小行糸川（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。日本于2014年12月3日發(fā)射的隼鳥－2（Hayabusa－2）小行星探測器將繼續(xù)采用4臺μ－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)，它計(jì)劃2018年到達(dá)1999JU3并采樣，2020年返回地球。

歐日聯(lián)合研制的 “貝皮-科倫布”水星探測器

2003年9月歐洲發(fā)射的斯瑪特－1（SMART－1）月球探測器應(yīng)用單臺PPS－1350霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成了月球探測的主推進(jìn)任務(wù)，2005年完成了月球探測使命最終墜落月球表面。由于推進(jìn)系統(tǒng)的良好性能，使得該探測器繞月球探測工作時間從原計(jì)劃的6個月延長到了1.5年。歐洲航天局（ESA）和日本宇宙開發(fā)研究機(jī)構(gòu)（JAXA）聯(lián)合研制的 “貝皮-科倫布”（Bepi-colombo）水星探測器將應(yīng)用4臺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，它計(jì)劃2015年發(fā)射，2021年到達(dá)水星。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。歐洲航天局正在論證采用太陽能電推進(jìn)和同位素核能電推進(jìn)組合完成距離太陽200AU進(jìn)行太陽和星際探測的可行性。美國航空航天局（NASA）正在實(shí)施針對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年時間完成從400km低軌道到地月L2的軌道轉(zhuǎn)移,計(jì)劃2018年飛行。

美國“先進(jìn)極高頻”衛(wèi)星

3）靜止軌道衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。波音公司在波音衛(wèi)星系統(tǒng)－702衛(wèi)星平臺上已經(jīng)實(shí)施了應(yīng)用XIPS－25離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成最終靜止軌道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30000km、遠(yuǎn)地點(diǎn)約42000km、傾角0°的中間橢圓軌道，電推進(jìn)在1.5個月內(nèi)把衛(wèi)星送入地球靜止軌道，截止2011年5月已經(jīng)應(yīng)用于16顆衛(wèi)星。俄羅斯在2003年發(fā)射的亞馬爾－201、202（Yamal－201、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“阿蒂米斯”（ARTEMIS）衛(wèi)星上，由于運(yùn)載上面級故障衛(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)軌道錯誤的能力。在2010年8月發(fā)射的洛馬公司先進(jìn)極高頻－1（AEHF－1）衛(wèi)星上，發(fā)生了衛(wèi)星雙組元化學(xué)推進(jìn)故障，在這種情況下，應(yīng)用2臺BPT－4000推力器同時工作，在14個月內(nèi)完成了幾乎全部的軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。基于先進(jìn)極高頻－1衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)，洛馬公司在先進(jìn)極高頻－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)了波音衛(wèi)星系統(tǒng)－702SP平臺4顆全電推進(jìn)衛(wèi)星的商業(yè)定貨，其中ABS－3A和“歐洲通信衛(wèi)星115西B”等2顆衛(wèi)星已于2015年3月發(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)。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。

4）科學(xué)觀測與試驗(yàn)航天器任務(wù)。2009年歐洲發(fā)射的“地球重力場和海洋環(huán)流探測衛(wèi)星”（GOCE）應(yīng)用2臺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圖，截止2012年底電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作24000h。日本計(jì)劃2015年發(fā)射的“超低軌道高度試驗(yàn)技術(shù)衛(wèi)星”（SLATS）采用了改進(jìn)型IES－12離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成250km高度大氣阻尼補(bǔ)償。計(jì)劃于2017年發(fā)射的“利薩”（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公司研制的場效應(yīng)發(fā)射推進(jìn)電推進(jìn)完成超精確無拖曳控制任務(wù)。

5）其他應(yīng)用及飛行試驗(yàn)。2000年11月美國發(fā)射地球觀測衛(wèi)星－1（EO－1）成功應(yīng)用了脈沖等離子體推力器完成精確姿態(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)會獵鷹衛(wèi)星－3（FalconSat－3）小衛(wèi)星應(yīng)用了Busek公司研制的微脈沖等離子體推力器進(jìn)行姿態(tài)控制。2006年12月發(fā)射的戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星－2（TacSat－2）和2010年11月發(fā)射的獵鷹衛(wèi)星－5小衛(wèi)星上成功應(yīng)用BHT－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)射的印度空間研究組織（ISRO）通信衛(wèi)星—地球靜止衛(wèi)星－4（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。迪拜衛(wèi)星－2（DubaiSat－2）采用韓國7mN霍爾推力器和日本微波中和器組合進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

3 我國電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

技術(shù)發(fā)展

蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIPS－80電推進(jìn)產(chǎn)品

我國電推進(jìn)技術(shù)研究開始于中國科學(xué)院電工研究所和蘭州空間技術(shù)物理研究所，目前國內(nèi)從事電推進(jìn)技術(shù)研究和產(chǎn)品研制的主要單位包括：蘭州空間技術(shù)物理研究所、上?？臻g推進(jìn)研究所、北京控制工程研究所、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等。我國電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展歷史可以用以下標(biāo)志性事件概括：①1967年中科院電工研究所開展了PPT電推進(jìn)研究，1974年蘭州空間技術(shù)物理研究所開展汞離子電推進(jìn)研究；②1978年蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIPS－80電推進(jìn)獲得國家科技進(jìn)步一等獎；③1978～1999年為蕭條階段；④1999年蘭州空間技術(shù)物理研究所和上?？臻g推進(jìn)研究所在國家支持下,分別開展離子和霍爾電推進(jìn)研究；⑤2005年蘭州空間技術(shù)物理研究所完成離子電推進(jìn)系統(tǒng)工程樣機(jī)研制；⑥2007年在實(shí)踐－9A衛(wèi)星上進(jìn)行電推進(jìn)首次在軌飛行試驗(yàn)；⑦2010年在東方紅－3B衛(wèi)星平臺應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)完成15年南北位置保持；⑧2013年LIPS－200和HET－40電推進(jìn)成功完成空間飛行試驗(yàn)驗(yàn)證；⑨2013年12月開始離子電推進(jìn)12000h壽命驗(yàn)證試驗(yàn)；⑩2014年在東方紅－5衛(wèi)星平臺用多模式離子電推進(jìn)完成全部位保和部分軌道轉(zhuǎn)移，確定在空間站用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)完成軌道維持。

LIPS－200離子電推進(jìn)系統(tǒng)工程樣機(jī)

蘭州空間技術(shù)物理研究所同時開展了離子和霍爾類型電推進(jìn)技術(shù)研究及產(chǎn)品研制，其中離子電推進(jìn)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，霍爾電推進(jìn)包括0.3kW單模式LHT－30、0.7kW單模式LHT－70、1.3kW雙模式LHT－60D、1.35kW單模式LHT－100、4.5kW雙模式LHT－140等。

蘭州空間技術(shù)物理研究所電推進(jìn)產(chǎn)品系列

上?？臻g推進(jìn)研究所研制的霍爾電推進(jìn)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。北京控制工程研究所與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了1.4kW單模式和5kW雙模式磁聚焦（ATON）霍爾電推進(jìn)。北京航空航天大學(xué)研究了電弧和磁等離子體動力技術(shù)，西北工業(yè)大學(xué)研究了微波放電（ECR）技術(shù)，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究了脈沖等離子體技術(shù)，上海交通大學(xué)研究了場發(fā)射技術(shù)等。國內(nèi)電推進(jìn)與國際先進(jìn)電推進(jìn)的主要差距包括3個方面。

1）產(chǎn)品的技術(shù)成熟度。國外電推進(jìn)技術(shù)成熟度已經(jīng)達(dá)到9級；國內(nèi)最成熟的電推進(jìn)產(chǎn)品只達(dá)到5～7級。國外推力器壽命驗(yàn)證已經(jīng)達(dá)到50000h；國內(nèi)推力器壽命驗(yàn)證目前只達(dá)到6000h（目標(biāo)12000h，試驗(yàn)仍在繼續(xù)）。

2）航天器應(yīng)用的規(guī)模和范圍。國外技術(shù)發(fā)達(dá)國家從上世紀(jì)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)了電推進(jìn)首次飛行試驗(yàn)，首次型號應(yīng)用在1年之后。

3）電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展水平。國外電推進(jìn)幾乎已覆蓋類型、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，其他范圍的電推進(jìn)還處于方案論證階段。

應(yīng)用現(xiàn)狀

我國電推進(jìn)已經(jīng)完成首次空間飛行試驗(yàn)，進(jìn)入航天器型號應(yīng)用的包括通信衛(wèi)星平臺和空間站以及近地小行星探測現(xiàn)已完成方案論證，現(xiàn)具體介紹以下幾個方面。

1）實(shí)踐－9A衛(wèi)星離子電推進(jìn)首次飛行試驗(yàn)。該試驗(yàn)衛(wèi)星于2012年11月發(fā)射，截止2014年3月，LIPS－200離子電推進(jìn)系統(tǒng)在軌完成點(diǎn)火次數(shù)230次。整個空間飛行試驗(yàn)過程包括：在軌預(yù)初始化、系統(tǒng)預(yù)處理、首次點(diǎn)火啟動工作、第一次在軌性能標(biāo)定、累計(jì)開關(guān)循環(huán)工作、第二次在軌性能標(biāo)定等。其主要的試驗(yàn)結(jié)論包括：電推進(jìn)系統(tǒng)能夠在軌重復(fù)穩(wěn)定可靠地工作，電推進(jìn)系統(tǒng)與衛(wèi)星其他分系統(tǒng)兼容，空間性能和地面性能基本一致。上?？臻g動力機(jī)械研究所的HET－40霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)也在實(shí)踐－9A衛(wèi)星成功完成了首次飛行試驗(yàn)。

2）新技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星－2（XY－2）衛(wèi)星霍爾電推進(jìn)飛行試驗(yàn)。該飛行試驗(yàn)系統(tǒng)為基于LHT－100推力器的完整單弦系統(tǒng)，由霍爾推力器、貯供單元、電源處理單元、濾波單元、控制單元等組成。已經(jīng)完成了鑒定產(chǎn)品研制及全部鑒定試驗(yàn)，包括力學(xué)、熱真空、電磁兼容、系統(tǒng)集成、壽命考核等，目前正在進(jìn)行飛行正樣產(chǎn)品研制。北京控制工程研究所的1.4kW單模式霍爾電推進(jìn)也將同時進(jìn)行試驗(yàn)。

3）東方紅－3 B衛(wèi)星平臺南北位保任務(wù)離子電推進(jìn)。自2010年開始東方紅－3B平臺南北位保LIPS－200離子電推進(jìn)系統(tǒng)研制，已經(jīng)完成了方案階段和初樣階段的全部研制工作，目前正在進(jìn)行長壽命地面試驗(yàn)驗(yàn)證和首發(fā)衛(wèi)星飛行正樣產(chǎn)品的研制工作。截止2014年12月底壽命試驗(yàn)已經(jīng)完成6000h、3000次開關(guān)累計(jì)。首發(fā)應(yīng)用電推進(jìn)衛(wèi)星預(yù)計(jì)2016年投入運(yùn)行。

4）東方紅－5衛(wèi)星平臺全位保+部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)離子電推進(jìn)。東方紅－5為我國新一代大容量高性能通信衛(wèi)星平臺，將采用離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成全部位置保持和部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。目前，已經(jīng)完成了LIPS－300原理樣機(jī)研制，為實(shí)現(xiàn)高性能，離子推力器研制將采用新技術(shù)，包括多級場環(huán)尖磁場放電室、三柵極組件、石墨觸持極大電流空心陰極等。

未來展望

我國航天發(fā)展對電推進(jìn)應(yīng)用的主要需求領(lǐng)域包括地球靜止軌道衛(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)、低軌衛(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）靜止軌道衛(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)的靜止軌道衛(wèi)星平臺包括：東方紅－3 B的南北位保、東方紅－4 E和S A S T 5000衛(wèi)星平臺的全位保、東方紅－5和SAST9000衛(wèi)星平臺的全位保和部分軌道轉(zhuǎn)移、東方紅－4SP衛(wèi)星平臺的全位保和全部軌道轉(zhuǎn)移。靜止軌道衛(wèi)星平臺應(yīng)用電推進(jìn)可以使平臺實(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1～3kW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5～10kW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1～10kW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，在功率限制條件下特別需要大推力時可選用霍爾電推進(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

在現(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)對多模式電推進(jìn)的需求為：功率范圍1～10kW、比沖范圍3000～5000s、工作壽命15000～40000h，目前技術(shù)成熟度好的離子電推進(jìn)只能滿足1～2kW中功率應(yīng)用需求，需要研制5～10kW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)展基于磁等離子體動力和可變比沖磁火箭類型的電推進(jìn)技術(shù)。

（3）低軌道衛(wèi)星無拖曳控制和軌道維持等應(yīng)用需求

低軌道衛(wèi)星將在未來10年有較大的發(fā)展，對電推進(jìn)的應(yīng)用需求包括：①以相對冷氣或化學(xué)推進(jìn)的高比沖優(yōu)勢，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、姿態(tài)控制、編隊(duì)飛行、發(fā)射誤差修正等任務(wù)；②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，低軌小衛(wèi)星軌道維持和軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)對電推進(jìn)的需求主要在小功率、中比沖范圍，必要時還可以進(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；低軌大型航天器（如空間站）軌道維持對電推進(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；低軌小衛(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)上面級等航天任務(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)展勢頭，未來我國微小衛(wèi)星對微小功率電推進(jìn)的應(yīng)用需求包括：①以相對冷氣或化學(xué)推進(jìn)的高比沖優(yōu)勢，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、姿態(tài)控制、編隊(duì)飛行、發(fā)射誤差修正等任務(wù)；②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。