國(guó)外深空探測(cè)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展及啟示

韓泉東，任建軍，于杭健

（1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

國(guó)外深空探測(cè)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展及啟示

韓泉東1,2，任建軍1,2，于杭健3

（1.上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112；2.上?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海201112；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

推進(jìn)系統(tǒng)為探測(cè)器的飛行提供所需的控制力和控制力矩，一定程度上決定了探測(cè)器的規(guī)模、最遠(yuǎn)飛行距離，乃至任務(wù)的成敗，是探測(cè)器的重要分系統(tǒng)之一。為滿(mǎn)足不同的深空探測(cè)任務(wù)需求，國(guó)外發(fā)展了多種形式的推進(jìn)技術(shù)，但總體上仍以化學(xué)推進(jìn)為主，部分采用了電推進(jìn)系統(tǒng)，并在發(fā)展高性能低溫推進(jìn)技術(shù)等。對(duì)國(guó)外典型探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了敘述，分析了其技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，并分別針對(duì)無(wú)人探測(cè)和載人探測(cè)應(yīng)用探討了對(duì)我國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)推進(jìn)技術(shù)研究的啟示。

深空探測(cè)；推進(jìn)技術(shù)；發(fā)展；啟示

0 引言

以月球探測(cè)為起步的深空探測(cè)工程，集成了大量的高精尖技術(shù)成果，已被公認(rèn)為一個(gè)國(guó)家技術(shù)水平和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。美國(guó)、俄羅斯、日本和歐洲等在深空探測(cè)領(lǐng)域做了很多工作，取得了輝煌的成就。我國(guó)也已圓滿(mǎn)完成了探月一期、二期工程，其中，“嫦娥一號(hào)”成功繞月掀開(kāi)了我國(guó)深空探測(cè)的大幕，“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星則實(shí)現(xiàn)了中國(guó)航天飛行從40萬(wàn)公里到上億公里的跨越，并開(kāi)創(chuàng)了多目標(biāo)多任務(wù)探測(cè)的先河，2013年成功實(shí)施的“嫦娥三號(hào)”任務(wù)則使我國(guó)成為全世界第三個(gè)實(shí)現(xiàn)月面軟著陸的國(guó)家。而承擔(dān)地月轉(zhuǎn)移、月面軟著陸、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接及采樣返回任務(wù)的嫦娥五號(hào)探測(cè)器正在緊鑼密鼓的開(kāi)展研制，與此同時(shí)，我國(guó)制定了更長(zhǎng)遠(yuǎn)的符合我國(guó)國(guó)情的深空探測(cè)計(jì)劃，火星、小行星等深空探測(cè)任務(wù)已逐步提上日程，部分已開(kāi)始深化論證。

然而，深空探測(cè)是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，任一環(huán)節(jié)出問(wèn)題都將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法完成預(yù)期任務(wù)，甚至還會(huì)造成飛行器及人員傷害，損失慘重。在早期的深空探測(cè)活動(dòng)中，運(yùn)載火箭的故障占絕大多數(shù)。隨著運(yùn)載火箭技術(shù)逐步成熟，大部分的故障都集中在探測(cè)器上。通過(guò)對(duì)1958年～2006年間深空探測(cè)故障進(jìn)行了匯總，發(fā)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及有效載荷發(fā)生故障的次數(shù)占總故障數(shù)的絕大部分。

推進(jìn)系統(tǒng)為探測(cè)器提供軌道轉(zhuǎn)移、軌道捕獲、交會(huì)對(duì)接控制、著陸制動(dòng)減速、懸停控制、地外天體表面起飛上升以及姿態(tài)控制等所需的沖量，是探測(cè)器的重要組成部分。一定程度上，推進(jìn)系統(tǒng)決定了探測(cè)器的規(guī)模、最遠(yuǎn)飛行距離，乃至探測(cè)任務(wù)的成敗。

本文對(duì)國(guó)外典型探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了敘述，分析了其發(fā)展趨勢(shì)，并探討了對(duì)我國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)推進(jìn)技術(shù)研究的啟示。

1 國(guó)外典型探測(cè)器推進(jìn)技術(shù)

從1958年至今，全世界共開(kāi)展月球探測(cè)約130余次，火星探測(cè)約40余次，對(duì)太陽(yáng)系其他天體探測(cè)共計(jì)70余次。

1.1 月球探測(cè)

月球是離地球最近的星球。迄今為止，在月球軌道上工作的無(wú)人探測(cè)器有40多個(gè)，留在了月球表面上的探測(cè)器有30多個(gè)，有12名航天員登上月球。21世紀(jì)初，世界航天大國(guó)重新審視探月活動(dòng)，不約而同地啟動(dòng)了月球探測(cè)計(jì)劃，掀起了新一輪月球探測(cè)高潮。

1.1.1 美國(guó)“阿波羅”飛船

1961年至1972年，美國(guó)實(shí)施了“阿波羅”登月計(jì)劃，共11次飛行，其中6次成功登上月球。

“阿波羅”飛船發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 “阿波羅”飛船發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of propulsion subsystems on Apollo spacecraft

“阿波羅”飛船共采用了47臺(tái)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，分別配置在6個(gè)推進(jìn)子系統(tǒng)中，分別為：服務(wù)艙主推進(jìn)系統(tǒng)SPS(1×93 kN)、登月艙下降級(jí)主推進(jìn)系統(tǒng)DPS(1×4.66～44.74 kN)、登月艙上升級(jí)主推進(jìn)系統(tǒng)APS(1×15.9 kN)、服務(wù)艙姿控動(dòng)力系統(tǒng)SM/RCS(16×445 N)、登月艙姿控動(dòng)力系統(tǒng)LM/RCS(16×445 N)以及指令艙姿控動(dòng)力系統(tǒng)CM/RCS(12×436 N)[2]。

基于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，“阿波羅”飛船各推進(jìn)子系統(tǒng)均采用了常溫可貯存的自燃推進(jìn)劑組合，并采用了可靠性高的擠壓式推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)。此外，由于主發(fā)動(dòng)機(jī)推力大，將主推進(jìn)系統(tǒng)和姿控動(dòng)力系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)計(jì)。

1.1.2 前蘇聯(lián)載人登月飛船

前蘇聯(lián)在1959-1976年制訂了多種載人登月計(jì)劃，后來(lái)因?yàn)椤鞍⒉_”登月飛船率先成功和運(yùn)載飛船的H1火箭的連續(xù)發(fā)射失敗，最終放棄。其中只有LK飛船進(jìn)行了部分硬件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。LK飛船由軌道艙、登月艙 (模塊E)和模塊D 3部分組成。模塊D用于月面著陸主減速，模塊E用于月面最終軟著陸。其中，LK飛船的軌道艙主發(fā)動(dòng)機(jī)和模塊E主/備份發(fā)動(dòng)機(jī)均采用泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)，推進(jìn)劑采用UDMH/NTO，模塊D主發(fā)動(dòng)機(jī)也采用泵壓式系統(tǒng)，推進(jìn)劑為L(zhǎng)OX/RP-1。

1.1.3 歐洲“SMART-1”探測(cè)器

2003年9月，歐洲第一個(gè)月球探測(cè)器“SMART-1”成功發(fā)射，完成繞月探測(cè)后于2006年9月成功撞月。“SMART-1”探測(cè)器采用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng) (用于主推進(jìn))和落壓式單組元推進(jìn)系統(tǒng) (用于姿態(tài)控制)組成的混合推進(jìn)系統(tǒng)。發(fā)射質(zhì)量370 kg，干質(zhì)量276 kg?；魻栯娡七M(jìn)系統(tǒng)采用多模式霍爾推力器，推力器工作狀態(tài)可在55 s內(nèi)在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)調(diào)整，工質(zhì)采用Xe，設(shè)計(jì)最大推力70 mN?；瘜W(xué)推進(jìn)采用氮?dú)饴鋲簲D壓式肼推進(jìn)系統(tǒng)，推力器為8臺(tái)1 N推力器(MP-103C)。

1.1.4 日本“月神”系列探測(cè)器

日本1998年發(fā)展至今的“月神”月球探測(cè)計(jì)劃分為A和B兩步，其中A計(jì)劃主要對(duì)月球進(jìn)行遙感測(cè)量，并為B計(jì)劃獲取軟著陸的相關(guān)數(shù)據(jù)；B計(jì)劃主要驗(yàn)證軟著陸技術(shù)。

“月神-A”探測(cè)器于2007年9月成功發(fā)射，由母星、子星R和子星V組成?！霸律?A”探測(cè)器采用了N2H4/N2O4雙模式推進(jìn)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)配置為 1×547 N+12×20 N+8×1 N。探測(cè)器總重 3 200 kg(含子星)，干重 2 000 kg(不含子星)，子星均重45 kg。

“月神-B”探測(cè)器計(jì)劃2020年發(fā)射，包括1個(gè)著陸器和2個(gè)環(huán)月探測(cè)器。探測(cè)器的總重為2 818 kg，干重1 409 kg，推進(jìn)系統(tǒng)干重423 kg。探測(cè)器采用N2H4/N2O4雙模式推進(jìn)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)配置為：1×1 700 N+8×40 N+8×1 N。探測(cè)器月面下降主減速由1 700 N主發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作完成，最終軟著陸由主發(fā)動(dòng)機(jī)脈沖工作調(diào)節(jié)推力完成。

1.1.5 美國(guó)“獵戶(hù)座”飛船

美國(guó)于2004年提出了重返月球的“星座計(jì)劃”，該計(jì)劃包括獵戶(hù)座飛船、牽牛星月球著陸器和登月火箭3部分。雖然奧巴馬上臺(tái)后取消了“星座計(jì)劃”，但“獵戶(hù)座”的研發(fā)并未停止，只是目的地不再局限月球，也包括火星?！矮C戶(hù)座”飛船的服務(wù)艙考慮了2種推進(jìn)系統(tǒng)方案：

方案一：采用常規(guī)擠壓式雙組元軌姿控統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑為MMH/NTO。主發(fā)動(dòng)機(jī)采用AJ-10發(fā)動(dòng)機(jī) (在AJ-118K基礎(chǔ)上研制，AJ-118 K推進(jìn)劑采用混肼-50/NTO，2次啟動(dòng)，比沖將近330 s)，推力27.7 kN，比沖316 s，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)為8臺(tái)490 N發(fā)動(dòng)機(jī)和24臺(tái)220 N發(fā)動(dòng)機(jī)；

方案二：采用比沖更高的液氧/甲烷低溫推進(jìn)系統(tǒng)，主發(fā)動(dòng)機(jī)66.7 kN，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)445 N，擠壓式系統(tǒng)。最新資料顯示，美國(guó)基于液氧/甲烷推進(jìn)劑的推進(jìn)系統(tǒng)單項(xiàng)技術(shù)已取得突破，并已成功進(jìn)行了多次系統(tǒng)級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)。

近年來(lái)，美國(guó)在液氧/液甲烷空間推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步，包括姿控發(fā)動(dòng)機(jī)、軌控發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑空間長(zhǎng)期貯存、低溫姿控系統(tǒng)等技術(shù)的技術(shù)成熟度達(dá)到TRL5-6級(jí)。2013年，NASA以液氧/液甲烷推進(jìn)劑為姿軌控動(dòng)力的行星著陸器技術(shù)驗(yàn)證機(jī)成功完成了自由懸浮飛行試驗(yàn)，標(biāo)志著NASA該技術(shù)從單項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)走向系統(tǒng)集成應(yīng)用發(fā)展。

2014年12月，“獵戶(hù)座”成功進(jìn)行了首飛飛行驗(yàn)證。處于低溫推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)成熟度考慮，首飛采用了方案一。

1.1.6 美國(guó)“牽牛星”月球著陸器

“牽牛星”月球著陸器下降級(jí)擬采用液氧/液氫推進(jìn)劑，RL-10系統(tǒng)膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。

上升級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)也考慮了2種方案：

方案一：采用常規(guī)擠壓式雙組元軌姿控統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑為MMH/NTO。軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用航天飛機(jī)軌道機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)OME，可多次啟動(dòng)，比沖313 s，可雙向搖擺10°，額定推力36.69 kN，并可在109%～65%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

方案二：采用比沖更高的液氧/甲烷低溫推進(jìn)系統(tǒng)，1臺(tái)44.5 kN主發(fā)動(dòng)機(jī)，16臺(tái)445 N姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。

1.1.7 俄羅斯“快船號(hào)”飛船

俄羅斯目前正在研制“快船號(hào)”可重復(fù)使用載人飛船，該飛船不僅用于國(guó)際空間站，還計(jì)劃用于載人登月?！翱齑?hào)”飛船的推進(jìn)系統(tǒng)包括2種類(lèi)型共32臺(tái)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其中8臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)推力均為500 N，24臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力均為240 N。推進(jìn)劑為液氧和96%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的酒精。

1.2 火星探測(cè)

迄今為止，多個(gè)探測(cè)器成功對(duì)火星進(jìn)行了探測(cè)，其中5個(gè)飛越火星，9個(gè)火星軌道器，6個(gè)火星著陸。從20世紀(jì)90年代起，火星探測(cè)再次成為空間探索的又一熱點(diǎn)。

1.2.1 美國(guó)“海盜”系列探測(cè)器

美國(guó)研制的“海盜1號(hào)”于1975年8月發(fā)射，“海盜2號(hào)”于1975年9月發(fā)射，均由軌道器和著陸器組成，均實(shí)現(xiàn)了火星軟著陸。

軌道器總重2 328 kg，其中干重883 kg，推進(jìn)劑為MMH/NTO，主發(fā)動(dòng)機(jī)推力1 323 N，可雙向搖擺9°，姿控采用12臺(tái)冷氣推力器 (工質(zhì)為氮?dú)?。著陸器包括巡航級(jí)和下降級(jí)，巡航級(jí)和下降級(jí)均采用了單組元肼推進(jìn)系統(tǒng)，巡航級(jí)采用12臺(tái)22 N的推力器，下降級(jí)則使用了3臺(tái)單組元變推力發(fā)動(dòng)機(jī) (安裝于基座的長(zhǎng)邊，呈120°布置)，推力范圍為276～2 667 N。

1.2.2 美國(guó)“火星全球勘測(cè)者”軌道器

“火星全球勘測(cè)者”探測(cè)器于1996年11月6日成功發(fā)射，它的設(shè)計(jì)初衷是接替失敗的“火星觀測(cè)者”任務(wù)。

“火星觀測(cè)者”軌控采用N2O4/MMH推進(jìn)系統(tǒng)。進(jìn)行近火制動(dòng)前3天丟失。JPL對(duì)此調(diào)查總結(jié)了6條可能造成該探測(cè)器丟失的原因，其中3條與推進(jìn)系統(tǒng)的氣路有關(guān)：1)氧化劑、燃料蒸汽在增壓氣路中反應(yīng)而爆炸；2)串聯(lián)冗余減壓閥失效；3)電爆閥起爆時(shí)電爆管飛出，撞壞貯箱。因此，火星全球勘測(cè)者在推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了3項(xiàng)改進(jìn)：1)系統(tǒng)初次使用前，將增壓氣路與推進(jìn)劑貯箱隔離；2)對(duì)增壓氣路和組件實(shí)施熱控，防止推進(jìn)劑蒸汽冷凝；3)在單向閥與貯箱之間設(shè)置了隔離閥，認(rèn)為推進(jìn)劑隔離不能過(guò)于依賴(lài)單向閥。軌控發(fā)動(dòng)機(jī)1臺(tái)，推力655 N，比沖318 s。姿控發(fā)動(dòng)機(jī)12臺(tái)，推力均為4.4 N。

1.2.3 歐洲“火星快車(chē)”探測(cè)器

歐洲研制的“火星快車(chē)”探測(cè)器于1996年11月8日發(fā)射。

該探測(cè)器采用雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑為MMH/N2O4，采用1臺(tái)414 N軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和8臺(tái)10 N姿控推力器。發(fā)射重量1 240 kg，推進(jìn)劑量427 kg。

用于金星探測(cè)的“金星快車(chē)”推進(jìn)系統(tǒng)與“火星快車(chē)”配置相同，只是推進(jìn)劑加注量略有差異。

1.2.4 美國(guó)“好奇號(hào)”推進(jìn)系統(tǒng)

美國(guó)研制的“好奇號(hào)”火星探測(cè)器于2011年11月26日發(fā)射，2012年8月6日成功登陸火星?！昂闷嫣?hào)”發(fā)射質(zhì)量約3 400 kg，抵達(dá)火星軌道時(shí)為3 257 kg，在火星表面著陸的“好奇號(hào)”火星車(chē)質(zhì)量為900 kg?！昂闷嫣?hào)”下降級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)采用單組元推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑均采用無(wú)水肼，采用8臺(tái)300 N單元推力器作為姿控，采用8臺(tái)單組元變推力發(fā)動(dòng)機(jī) (推力范圍為400 N～2 998 N)進(jìn)行反沖控制以釋放火星車(chē)。

1.3 其他天體探測(cè)

1.3.1 美國(guó)“卡西尼”土星探測(cè)器

“卡西尼”探測(cè)器于1997年10月發(fā)射，2004年7月進(jìn)入土星軌道。

“卡西尼”號(hào)探測(cè)器質(zhì)量5 712 kg。推進(jìn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分吸取了“火星觀測(cè)者”探測(cè)器(失敗的可能原因之一是推進(jìn)劑蒸汽隔離失效)的教訓(xùn)，防止推進(jìn)劑蒸汽在增壓系統(tǒng)中冷凝。采用了獨(dú)立的單組元和雙組元推進(jìn)系統(tǒng)。雙組元推進(jìn)系統(tǒng)中只配置了2臺(tái)445 N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，并互為備份，另外在系統(tǒng)中采用了多個(gè)常開(kāi)/常閉電爆閥組合來(lái)隔離推進(jìn)劑蒸汽，并對(duì)增壓氣路組件進(jìn)行主動(dòng)溫度控制，防止推進(jìn)劑蒸汽冷凝和積累。該推進(jìn)系統(tǒng)是迄今為止最“豪華”的推進(jìn)系統(tǒng)。

雙組元推進(jìn)劑為MMH/N2O4，加注量3 000 kg，增壓氦氣質(zhì)量8.6 kg。單元推進(jìn)劑總質(zhì)量132 kg，增壓氦氣0.4 kg。配置2臺(tái)445 N(R-4D-11)雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)和16臺(tái)1 N單元發(fā)動(dòng)機(jī)。軌控采用雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，姿控采用單組元發(fā)動(dòng)機(jī)。445 N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)能夠開(kāi)啟200次，累計(jì)工作時(shí)間170 min。1 N單組元推力器 (最小沖量15 mN s)能完成267 000次脈沖，累計(jì)工作時(shí)間120 min。

1.3.2 日本“隼鳥(niǎo)號(hào)”推進(jìn)系統(tǒng)

2003年5月9日，日本發(fā)射了“隼鳥(niǎo)號(hào)”探測(cè)器，用于探測(cè)25143號(hào)近地小行星。2005年9月12日到達(dá)系川小行星，2010年6月13日返回地球。

“隼鳥(niǎo)號(hào)”采用了Xe(氙氣)離子電推進(jìn)系統(tǒng)和化學(xué)推進(jìn)結(jié)合的混合推進(jìn)方式，其中離子電推進(jìn)系統(tǒng)用于主推進(jìn)，化學(xué)推進(jìn)主要用于姿態(tài)控制。

1.3.3 歐洲“羅塞塔”推進(jìn)系統(tǒng)

“羅塞塔”于2004年3月2日發(fā)射，用于監(jiān)測(cè)彗核和彗發(fā)的成分。2014年8月，成功抵達(dá)目標(biāo)彗星。

探測(cè)器發(fā)射質(zhì)量3 054 kg，干質(zhì)量1 335 kg，其中著陸器質(zhì)量108 kg。探測(cè)器采用MON-1/MMH雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑量1 719 kg，設(shè)計(jì)壽命12年。共配置了24臺(tái)10 N推力器。為保證可靠性，推進(jìn)系統(tǒng)主要工作于落壓模式，為保證推進(jìn)效率，飛行中進(jìn)行2次增壓。

1.3.4 美國(guó)“信使號(hào)”水星探測(cè)器

美國(guó)研制的“信使號(hào)”水星探測(cè)器于2004年8月3日發(fā)射。飛越地球1次，金星2次，水星3次。2011年3月17日，進(jìn)入水星軌道。

探測(cè)器發(fā)射重量1 108 kg。采用擠壓式雙模式推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)劑為N2H4/N2O4，共采用了17臺(tái)推力器，分別為660 N雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，4臺(tái)22 N單組元推力器以及12臺(tái)4.4 N單組元推力器。

推進(jìn)系統(tǒng)采用了無(wú)推進(jìn)劑管理裝置的輕質(zhì)貯箱，使用了一種可以重復(fù)充填的輔助貯箱和沉底推力器來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的沉底。

1.3.5 美國(guó)“新地平線(xiàn)號(hào)”推進(jìn)系統(tǒng)

它是NASA新邊疆計(jì)劃的第一個(gè)探測(cè)器，目標(biāo)是探測(cè)冥王星及其衛(wèi)星卡戎等天體，加強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)系的科學(xué)認(rèn)識(shí)。2006年1月19日發(fā)射。

探測(cè)器采用落壓式單組元肼推進(jìn)系統(tǒng)。下部為1組4臺(tái)并聯(lián)的4.4 N軌控推力器，上部為4組3臺(tái)并聯(lián)的0.9 N姿控推力器。共加注76.84 kg肼和0.16 kg氦氣，25.3℃時(shí)擠壓壓力為2.2 MPa。此壓力確保在最高溫度50℃時(shí)不超過(guò)貯箱的最大工作壓力。貯箱為隔膜式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)的落壓比為2.7:1，額定工作壓力為2.875 MPa。

1.3.6 美國(guó)“黎明號(hào)”推進(jìn)系統(tǒng)

“黎明號(hào)”對(duì)灶神星和谷神星進(jìn)行探測(cè)，是NASA第9個(gè)科學(xué)探索任務(wù)，于2007年9月27發(fā)射。2011年7月16日到達(dá)了灶神星，2015年3月，成功進(jìn)入谷神星軌道。

探測(cè)器總重1 218 kg。采用離子推進(jìn)系統(tǒng)(主推進(jìn)，推力90 mN)和單組元肼推進(jìn)系統(tǒng) (姿態(tài)控制)。離子推進(jìn)工質(zhì)：氙氣，425 kg；肼質(zhì)量：45 kg。采用了3臺(tái)離子推力器。設(shè)計(jì)壽命10年。

1.4 探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)分析

縱觀國(guó)外探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展情況，探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)總體上朝可靠性更高、性能更高、輕質(zhì)化程度更高以及類(lèi)型更加多樣發(fā)展。具體到探測(cè)對(duì)象，主要趨勢(shì)如下：

1)大型月球探測(cè)任務(wù)仍以擠壓式雙組元推進(jìn)系統(tǒng)為主，特別是用于月面軟著陸的探測(cè)器，小型探測(cè)器則采用單組元推進(jìn)系統(tǒng)，部分也采用單組元推進(jìn)+電推進(jìn)系統(tǒng)的方式。在所發(fā)射和正在研制的月球探測(cè)器中，雙組元推進(jìn)系統(tǒng)占絕大多數(shù)，其中美國(guó)以MMH/NTO姿軌控統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)為主，部分也采用N2H4/N2O4雙模式推進(jìn)系統(tǒng)；前蘇聯(lián)則采用UDMH/NTO作為推進(jìn)劑；日本早期的小型月球探測(cè)器采用單元肼推進(jìn)系統(tǒng)，近期研制的月神探測(cè)器則采用了N2H4/N2O4推進(jìn)劑；歐空局發(fā)射的SMART-1采用霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)+化學(xué)推進(jìn)的方式，近期研制的月球著陸器則采用MMH/NTO推進(jìn)劑。

2)火星探測(cè)器仍以化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)為主。早期的火星飛越器推進(jìn)系統(tǒng)中，美國(guó)采用了主發(fā)動(dòng)機(jī)為單元肼發(fā)動(dòng)機(jī)，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用冷氣推力器的方式；前蘇聯(lián)則采用了主發(fā)動(dòng)機(jī)為泵壓式雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用擠壓式雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)的方式。近期，軌道器推進(jìn)系統(tǒng)以雙組元推進(jìn)系統(tǒng)或雙模式推進(jìn)系統(tǒng)為主。美國(guó)以N2H4/N2O4為推進(jìn)劑的雙模式推進(jìn)系統(tǒng)為主，部分也采用以MMH/NTO為推進(jìn)劑的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)；前蘇聯(lián)則以UDMH/NTO為推進(jìn)劑的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)為主；歐洲所發(fā)射的“火星快車(chē)”探測(cè)器采用了以MMH/NTO為推進(jìn)劑的雙組元推進(jìn)系統(tǒng)。著陸器推進(jìn)系統(tǒng)則以單組元肼推進(jìn)系統(tǒng)為主，美國(guó)為火星著陸任務(wù)研制了多款單組元變推力發(fā)動(dòng)機(jī)。

3)對(duì)于比月球和火星更遠(yuǎn)的天體，推進(jìn)系統(tǒng)仍以化學(xué)推進(jìn)為主，但朝化學(xué)推進(jìn)+電推進(jìn)甚至全電推進(jìn)發(fā)展?；瘜W(xué)推進(jìn)系統(tǒng)以雙模式推進(jìn)系統(tǒng)為主，部分采用雙組元統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)，部分也采用單組元肼推進(jìn)系統(tǒng)。近期發(fā)展的探測(cè)器逐漸以電推進(jìn)作為主動(dòng)力，化學(xué)推進(jìn)作為輔助動(dòng)力或備份。

4)新一代載人探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)仍以化學(xué)推進(jìn)為主，并朝無(wú)毒高性能推進(jìn)技術(shù)發(fā)展。“阿波羅”登月飛船均采用化學(xué)推進(jìn)，推進(jìn)劑均為常溫可貯存自燃推進(jìn)劑。美國(guó)正在研制比沖性能更高且具有火星資源原位利用前景的液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)，計(jì)劃用于載人登陸火星任務(wù)。俄羅斯在研的“快船號(hào)”飛船則采用了無(wú)毒液氧/酒精推進(jìn)劑。

5)為滿(mǎn)足不同的任務(wù)需求，發(fā)動(dòng)機(jī)推力品種朝多樣化發(fā)展。國(guó)外探測(cè)器雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)推力量級(jí)主要有95 632 N，4 670～46 700 N，15 580 N，1 700 N，1 323 N，660 N，500 N，200 N，40 N和10 N等；單組元發(fā)動(dòng)機(jī)推力量級(jí)主要有2 780 N，1 149 N，22 N，4.4 N，0.9 N，276～2 667 N 和400 N～2 998 N等，可選類(lèi)型較多。

2 對(duì)我國(guó)開(kāi)展深空探測(cè)推進(jìn)技術(shù)研究的啟示

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)有的空間推進(jìn)技術(shù)可用滿(mǎn)足多個(gè)深空探測(cè)任務(wù)的需求。但是，與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我國(guó)還存在較大的差距。為了更好的滿(mǎn)足不斷發(fā)展的新的深空探測(cè)任務(wù)需求，建議開(kāi)展以下研究工作：

1)針對(duì)無(wú)人探測(cè)任務(wù)

不斷提高推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜探測(cè)任務(wù)、復(fù)雜環(huán)境條件的適應(yīng)性；繼續(xù)在提高推進(jìn)系統(tǒng)長(zhǎng)期在軌工作的可靠性方面下功夫；不斷提高推進(jìn)組件的性能、壽命和可靠性；不斷提高推進(jìn)系統(tǒng)及其組件的輕質(zhì)化、小型化水平；繼續(xù)提高推進(jìn)劑利用率、并聯(lián)貯箱均衡排放精度和混合比精度；開(kāi)展推進(jìn)系統(tǒng)在軌自主管理技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)長(zhǎng)期在軌自主故障診斷和功能重構(gòu)；開(kāi)展高性能雙組元軌控發(fā)動(dòng)機(jī)和千牛級(jí)單組元大范圍變推力發(fā)動(dòng)機(jī)研制；開(kāi)展無(wú)毒低冰點(diǎn)推進(jìn)系統(tǒng)研制；開(kāi)展雙模式推進(jìn)系統(tǒng)及N2H4/MON-1推進(jìn)劑雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)研究；加快電推進(jìn)系統(tǒng)工程化研制，開(kāi)展長(zhǎng)壽命、大功率多模式霍爾/離子推力器和大推力、高比沖、長(zhǎng)壽命磁等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)等電推進(jìn)技術(shù)研究；開(kāi)展空間核電推進(jìn)技術(shù)研究。

2)針對(duì)載人探測(cè)任務(wù)

繼續(xù)開(kāi)展探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化，特別是要將可靠性和安全性放在首要位置；開(kāi)展推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑均衡排放、剩余量測(cè)量以及混合比主動(dòng)控制技術(shù)研究；開(kāi)展大總沖推進(jìn)系統(tǒng)先進(jìn)增壓技術(shù)研究；開(kāi)展高性能無(wú)毒80 kN級(jí)變推力發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制；完善姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)型譜，重點(diǎn)開(kāi)展常規(guī)推進(jìn)劑高性能可搖擺雙組元軌控發(fā)動(dòng)機(jī)研制，完善姿控發(fā)動(dòng)機(jī)推力品種；加快單組元無(wú)毒姿控發(fā)動(dòng)機(jī)研制；開(kāi)展大容積輕質(zhì)表面張力貯箱技術(shù)研究；開(kāi)展大容積輕質(zhì)金屬膜片貯箱技術(shù)研究；開(kāi)展大流量自鎖閥、大流量單向閥、大通徑液路電爆閥以及低溫閥門(mén)研制；開(kāi)展多次啟動(dòng)高性能液氧/甲烷、液氧/煤油空間推進(jìn)技術(shù)研究，重點(diǎn)解決發(fā)動(dòng)機(jī)多次點(diǎn)火、低溫推進(jìn)劑在軌長(zhǎng)期貯存以及高效增壓技術(shù)等問(wèn)題。

航天發(fā)展，動(dòng)力為先。通常，新型推進(jìn)技術(shù)的研制難度大、研制周期長(zhǎng)、需要更大的投入，我國(guó)探測(cè)器推進(jìn)技術(shù)在長(zhǎng)壽命、高可靠、在軌自主管理以及可選的產(chǎn)品種類(lèi)方面與國(guó)外存在非常大的差距。因此，為支撐我國(guó)深空探測(cè)任務(wù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)充分論證，做好頂層規(guī)劃，并盡早啟動(dòng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，做好技術(shù)儲(chǔ)備。

[1]李斌,丁豐年,張小平.載人登月推進(jìn)系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)宇航出版社,2011.

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（編輯：陳紅霞）

Development of propulsion technology abroad for deep space exploration and its inspiration

HAN Quandong1,2,REN Jianjun1,2,YU Hangjian3
（1.Shanghai Institute of Space Propulsion,Shanghai 201112,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Space Engine,Shanghai 201112,China;3.Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China）

Propulsion system provides the required control force and control moment for spacecraft,to some extent,determines the size of the spacecraft,its farthest flight distance and even the success of the mission.It′s one of the important subsystems of the spacecraft.Many kinds of propulsion systems have been developed abroad to meet different requirements.In this paper,some typical propulsion systems for deep space exploration are described and their technical characteristics and growing trends are analyzed.The inspiration to the Chinese research on propulsion technology for deep space unmanned and manned exploration is also discussed.

deep space exploration;propulsion technology;development;inspiration

V434-34

A

1672-9374(2017)04-0001-06

2016-04-20；

2017-01-15

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助課題(13DZ2250600)

韓泉東（1981—），男，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榭臻g推進(jìn)技術(shù)