空間推進(jìn)技術(shù)需求與發(fā)展分析

韓泉東，洪 鑫，周海清

（上?？臻g推進(jìn)研究所，上海201112）

0 引言

空間推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有星、船、彈、箭、器等各種航天器，涵蓋了眾多推進(jìn)類型，主要有冷氣推進(jìn)、化學(xué)推進(jìn)、電推進(jìn)、核推進(jìn)、電磁推進(jìn)、激光推進(jìn)、反物質(zhì)推進(jìn)、動(dòng)量轉(zhuǎn)換推進(jìn)和無工質(zhì)推進(jìn)等，在航天領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

隨著我國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展，空間推進(jìn)技術(shù)也取得了一系列技術(shù)成就，獲得了以神舟七號(hào)、嫦娥二號(hào)等為代表的具有里程碑意義的重大工程的成功和以載人航天工程、探月工程、二代導(dǎo)航工程、高分辨率對(duì)地觀測(cè)工程等為代表的國(guó)家重大工程的立項(xiàng)和研制。目前高性能空間發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、電推進(jìn)技術(shù)、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)、無毒化推進(jìn)技術(shù)、微小推力推進(jìn)技術(shù)、輕質(zhì)快響應(yīng)預(yù)包裝動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)、新型增壓式動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)研究進(jìn)展順利，核心技術(shù)相繼取得突破，為新項(xiàng)目的立項(xiàng)和背景型號(hào)的論證奠定了基礎(chǔ)。

空間推進(jìn)技術(shù)從技術(shù)層面大致可分為常規(guī)化學(xué)空間推進(jìn)技術(shù)、電推進(jìn)技術(shù)、無毒化空間推進(jìn)技術(shù)、微小推力精密空間推進(jìn)技術(shù)以及新概念推進(jìn)技術(shù)等幾大類。本文在分析國(guó)內(nèi)外空間推進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀和趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，梳理了空間推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)和對(duì)我國(guó)的啟示，在對(duì)未來任務(wù)和技術(shù)需求分析的基礎(chǔ)上，對(duì)國(guó)內(nèi)推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)存在的差距進(jìn)行了分析，提出了發(fā)展思路和重點(diǎn)發(fā)展方向建議。

1 高性能常規(guī)化學(xué)空間推進(jìn)技術(shù)需求與發(fā)展

1.1 需求分析

化學(xué)推進(jìn)是目前使用最廣泛的推進(jìn)方式，具有高比沖、可多次啟動(dòng)、脈沖工作、沖量控制精度高、易于調(diào)節(jié)推力等優(yōu)勢(shì)，廣泛用于衛(wèi)星、飛船、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭以及深空探測(cè)器的姿軌控任務(wù)等。

化學(xué)推進(jìn)技術(shù)從最初的單組元推進(jìn)到雙組元推進(jìn)，再到雙組元雙模式推進(jìn)，化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)步入了相對(duì)成熟的階段。但是對(duì)于航天器長(zhǎng)壽命高可靠要求、航天器高精度姿態(tài)控制要求、微小型航天器輕質(zhì)化要求和武器系統(tǒng)輕質(zhì)快響應(yīng)要求，化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)不可替代且仍有巨大的發(fā)展空間。

與國(guó)外先進(jìn)水平相比，我們還存在不小的差距，具體敘述如下。

現(xiàn)有衛(wèi)星用遠(yuǎn)地點(diǎn)490 N和姿控10 N發(fā)動(dòng)機(jī)等比沖偏低。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的490 N發(fā)動(dòng)機(jī)比沖約315 s，而國(guó)外同類發(fā)動(dòng)機(jī)飛行產(chǎn)品的比沖已經(jīng)達(dá)到327 s，采用肼和四氧化二氮推進(jìn)劑的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖甚至達(dá)到了335 s。對(duì)于地球同步軌道衛(wèi)星而言，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)通常要消耗總推進(jìn)劑量的80%以上，該發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖性能直接影響衛(wèi)星的最終壽命。此外，為滿足較大地球同步軌道衛(wèi)星等的需求，需要研制新一代25 N姿控發(fā)動(dòng)機(jī)以及千牛級(jí)軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)一步提高可靠性、提高比沖性能及進(jìn)行輕小型化設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有衛(wèi)星用10 N推力器最小脈沖沖量偏高，現(xiàn)有10 N推力器的最小脈沖沖量大于50 mN·s。為滿足衛(wèi)星調(diào)制控制時(shí)推力器的最短開啟時(shí)間要求，必須將最小脈沖沖量降到30 mN·s以內(nèi)，同時(shí)提高推力器穩(wěn)態(tài)比沖，達(dá)到295 s以上。因此，研制30 mN·s最小沖量的10 N推力器是大型長(zhǎng)壽命衛(wèi)星和高精度、高穩(wěn)定性控制的迫切要求，也是未來衛(wèi)星平臺(tái)的急需。

衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑剩余量測(cè)量精度偏低。國(guó)內(nèi)此前開展了推進(jìn)劑剩余量精確測(cè)量技術(shù)研究，但從研究進(jìn)展來看，剩余量測(cè)量精度都取決于壓力和溫度傳感器的精度，當(dāng)前壓力傳感器的全量程精度和溫度傳感器的分辨率不足以實(shí)現(xiàn)±3個(gè)月的預(yù)報(bào)精度。另外，穩(wěn)定性好且與推進(jìn)劑相容時(shí)間長(zhǎng)的壓力傳感器技術(shù)未完全突破，研制長(zhǎng)壽命、高精度的壓力和溫度傳感器刻不容緩。并聯(lián)貯箱的推進(jìn)劑剩余量計(jì)算不同于原來的單貯箱，需要開發(fā)新的算法和模型。

推進(jìn)系統(tǒng)的性能有待進(jìn)一步優(yōu)化。國(guó)內(nèi)目前所使用的衛(wèi)星、飛船及深空探測(cè)器的推進(jìn)系統(tǒng)均采用了單一的化學(xué)推進(jìn)，壽命相對(duì)有限，而國(guó)外已經(jīng)廣泛采用了雙模式混合推進(jìn)系統(tǒng)，即軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用四氧化二氮/無水肼，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用無水肼。早期與雙模式系統(tǒng)配套的電推力器主要是電阻加熱無水肼推力器，它使姿控推力器的比沖從220 s提高到了300 s，這已接近其物理上的極限。后來電弧加熱推力器的研究和問世使推力器的性能又大大前進(jìn)了一步，1 kW功率以上的無水肼電弧加熱推力器比沖達(dá)到了650 s，500 W左右的推力器比沖也達(dá)到了500 s。雙模式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)非常突出。如果我國(guó)的GEO衛(wèi)星采用雙模式推進(jìn)系統(tǒng)，很容易達(dá)到更長(zhǎng)的設(shè)計(jì)壽命。此外，采用比沖更高（1 600 s以上）的霍爾電推進(jìn)來完成衛(wèi)星的南北位保，甚至姿態(tài)和軌道控制等任務(wù)，則衛(wèi)星的壽命可進(jìn)一步延長(zhǎng)。國(guó)外很早就已將電推進(jìn)系統(tǒng)作為大型衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前，國(guó)內(nèi)研制的電推進(jìn)系統(tǒng)即將開展工程應(yīng)用。

推進(jìn)系統(tǒng)在軌補(bǔ)加技術(shù)有待突破。推進(jìn)劑的耗盡意味著航天器壽命的終結(jié)。世界上主要的航天大國(guó)都已經(jīng)掌握了在軌補(bǔ)給技術(shù)。俄羅斯從1978年就已經(jīng)實(shí)施了在軌補(bǔ)給，而美國(guó)從上世紀(jì)80年代初就開始了在軌補(bǔ)給技術(shù)的研究，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了充分的發(fā)展，并提出了龐大的在軌補(bǔ)給計(jì)劃。還有一些國(guó)家也開始了這方面技術(shù)的探索。從發(fā)展趨勢(shì)上看，在軌補(bǔ)給技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化，補(bǔ)給對(duì)象也大大擴(kuò)展。而國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)起步較晚，有待加快研制進(jìn)度。

空間推進(jìn)用泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)尚屬空白。目前國(guó)內(nèi)衛(wèi)星、飛船及深空探測(cè)器等均采用擠壓式推進(jìn)系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力相對(duì)較低，制約著推進(jìn)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。隨著空間平臺(tái)和導(dǎo)彈武器等的進(jìn)一步發(fā)展，迫切需要輕小型高性能的泵壓式推進(jìn)系統(tǒng)與之配套。

推進(jìn)系統(tǒng)組件的性能和可靠性急需提高。此前，空間推進(jìn)系統(tǒng)所使用的組件相對(duì)于國(guó)外技術(shù)水平存在著結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、精度較低、可靠性不高等不足，某些組件甚至是整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的單點(diǎn)故障源。

1.2 重點(diǎn)發(fā)展方向

1.2.1 長(zhǎng)壽命、高可靠和高性能軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)

提高現(xiàn)役的航天器軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī) (2500 N/490 N/150 N/25 N/10 N)的綜合性能，對(duì)于延長(zhǎng)航天器在軌壽命和提高航天器使用效能具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。此外，為滿足大型衛(wèi)星、空間實(shí)驗(yàn)室和探測(cè)器等的變軌需求，應(yīng)盡快開展千牛級(jí)高性能軌控發(fā)動(dòng)機(jī)研制。

1.2.2 大型衛(wèi)星雙元推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑在軌管理技術(shù)

突破推進(jìn)劑剩余量精確測(cè)量技術(shù)，解決衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)在軌運(yùn)行壽命預(yù)測(cè)問題；研究出推進(jìn)系統(tǒng)混合比在軌調(diào)節(jié)方法，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)混合比在軌閉環(huán)調(diào)節(jié)，確保兩種組元推進(jìn)劑趨于同步消耗，延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命；研究出實(shí)現(xiàn)并聯(lián)貯箱均衡排放的方法，控制并聯(lián)貯箱推進(jìn)劑排放不均衡度。此外，開展可靠性高、工藝簡(jiǎn)單且性能一致性好甚至可在軌補(bǔ)加的板式表面張力貯箱研制，滿足大型衛(wèi)星和探測(cè)器等的需求。

1.2.3 長(zhǎng)壽命、高性能雙模式推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)軌控采用MON/N2H4雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)，姿控采用肼推力器或電弧加熱肼推力器，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的最大化利用，進(jìn)一步提高衛(wèi)星和空間平臺(tái)等推進(jìn)系統(tǒng)的性能。

1.2.4 航天器推進(jìn)系統(tǒng)在軌補(bǔ)加技術(shù)

進(jìn)行在軌補(bǔ)加方案優(yōu)化及關(guān)鍵組件技術(shù)研究，突破關(guān)鍵技術(shù)，盡快實(shí)現(xiàn)在軌補(bǔ)加系統(tǒng)工程應(yīng)用。

1.2.5 新型增壓式推力可調(diào)高性能軌姿控動(dòng)力系統(tǒng)

新型增壓泵主要有電動(dòng)泵、氣動(dòng)增壓泵、無活塞泵及自由活塞泵等幾種。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、啟動(dòng)方便、無啟動(dòng)次數(shù)限制且易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)的適用于空間應(yīng)用的新型增壓泵可有效提升空間推進(jìn)系統(tǒng)的綜合性能。此外，還可采用化學(xué)反應(yīng)生成高壓氣體的方式來對(duì)貯箱進(jìn)行增壓，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的常壓貯存。

1.2.6 深度節(jié)流單組元變推力推進(jìn)系統(tǒng)

單組元變推力發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力可大范圍調(diào)節(jié)、沖量控制精度高、可靠性高和系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高航天器的控制精度、增強(qiáng)航天器的機(jī)動(dòng)能力、易于實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的軟著陸并使得完成相同的空間任務(wù)所需的推進(jìn)劑量最少。

1.2.7 高性能雙組元變推力推進(jìn)系統(tǒng)

雙組元變推力推進(jìn)系統(tǒng)具有發(fā)動(dòng)機(jī)推力大范圍可變、比沖性能高等優(yōu)點(diǎn)，在深空探測(cè)器軟著陸和導(dǎo)彈武器突防領(lǐng)域具有突出的優(yōu)點(diǎn)。

1.2.8 航天員廢氣組合電熱推進(jìn)技術(shù)

電熱推進(jìn)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、技術(shù)成熟度高、工作范圍寬、適應(yīng)性好、壽命長(zhǎng)、配電簡(jiǎn)單、效率高（最高達(dá)80%）且羽流清潔等優(yōu)點(diǎn)，是所有電推進(jìn)中應(yīng)用最為廣泛的一種。針對(duì)載人航天的推進(jìn)需求，開展以航天員產(chǎn)生的廢氣（H2O，CO2，CH4，H2，N2，NH3等）為推進(jìn)劑的電熱推進(jìn)技術(shù)研究，突破加熱元件、高溫?fù)Q熱器、熱防護(hù)和液態(tài)水汽化等關(guān)鍵技術(shù)，研制出達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平的電熱推力器。

2 無毒化空間推進(jìn)技術(shù)需求與發(fā)展

2.1 需求分析

現(xiàn)有的航天器推進(jìn)系統(tǒng)基本上都采用N2O4/MMH以及N2H4等推進(jìn)劑。N2O4屬三級(jí)中等毒物，吸入過量會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重傷害；肼類推進(jìn)劑毒性更高，有很大吸入致癌性，且易燃易爆。這些特性導(dǎo)致在產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用和維護(hù)過程中不僅對(duì)人員生命和健康存在威脅，還可能使自然環(huán)境遭受污染。此外，推進(jìn)劑加注時(shí)，必須在特定廠房進(jìn)行，而為防止泄漏，還需復(fù)雜的加注設(shè)備、安全防護(hù)設(shè)備及泄漏檢測(cè)設(shè)備，使用和維護(hù)操作復(fù)雜，成本昂貴。目前，國(guó)外正在積極尋求“綠色”推進(jìn)技術(shù)來完全或部分替代目前的有毒推進(jìn)系統(tǒng)，以使航天器推進(jìn)系統(tǒng)易于維護(hù)操作，降低成本。航天推進(jìn)系統(tǒng)采用無毒、無污染推進(jìn)劑是未來的重要發(fā)展方向。

按照推進(jìn)方式劃分，目前無毒化推進(jìn)主要有三大研究熱點(diǎn)：HAN基或ADN單組元推進(jìn)、N2O/HC雙組元推進(jìn)以及LOX/HC雙組元推進(jìn)。

HAN基推進(jìn)劑是一種可以長(zhǎng)期貯存的推進(jìn)劑，在常壓下不敏感，存貯安全，無著火與爆炸的危險(xiǎn)，人員友好易維護(hù)操作，推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和肼系統(tǒng)相似。AND也具有類似特性，歐空局已開展了飛行驗(yàn)證。對(duì)無毒單元推進(jìn)系統(tǒng)可能的應(yīng)用方向是：

1)無毒化運(yùn)載火箭上面級(jí)輔助動(dòng)力系統(tǒng)；

2)導(dǎo)彈武器姿軌控動(dòng)力系統(tǒng)；

3)衛(wèi)星、飛船及其他空間推進(jìn)系統(tǒng)。

N2O/HC組合比沖性能適當(dāng)，無毒可貯存，低危險(xiǎn)性，人員友好易操作，適應(yīng)可重復(fù)使用快速進(jìn)出空間任務(wù)，同時(shí)也是無毒運(yùn)載火箭上面級(jí)的解決方案之一。N2O/HC組合適應(yīng)可貯存、可重復(fù)使用、高安全等級(jí)要求的推進(jìn)需求，這一推進(jìn)劑組合具有很高的綜合性能，在以下幾個(gè)應(yīng)用方面更能顯示出其優(yōu)越性。

1）可重復(fù)使用天地往返任務(wù)

這種任務(wù)往往需要頻繁進(jìn)出空間，執(zhí)行天地往返，有毒推進(jìn)系統(tǒng)的毒性和低溫推進(jìn)系統(tǒng)的低溫特性都與這種任務(wù)特點(diǎn)是不相適應(yīng)的，而N2O/HC組合的優(yōu)異綜合性能非常適合這種可貯存和可重復(fù)使用頻繁進(jìn)出空間的推進(jìn)任務(wù)。

2）載人空間推進(jìn)任務(wù)

這種空間任務(wù)推進(jìn)系統(tǒng)的安全性是第一位的，N2O/HC組合有適當(dāng)?shù)谋葲_性能，不存在毒性危險(xiǎn)。另外，N2O/HC推進(jìn)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，有較高的可靠性，適應(yīng)載人空間推進(jìn)任務(wù)。

3）運(yùn)載火箭及上面級(jí)軌姿控任務(wù)

對(duì)于該型任務(wù)，成本是一個(gè)重要的考慮因素，N2O/HC組合具有很高的綜合性能且成本相對(duì)較低，是這類任務(wù)的重要候選動(dòng)力技術(shù)。

資料顯示，LOX/HC推進(jìn)技術(shù)已成為國(guó)外空間推進(jìn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，尤其是LOX/CH4(液氧/甲烷)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有出色的比沖性能和可重復(fù)使用性，與液氫相比LOX/CH4比較容易實(shí)現(xiàn)空間長(zhǎng)期無損貯存，國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)都傾向于采用這一組合執(zhí)行高性能的空間推進(jìn)任務(wù)，如載人登月任務(wù)、載人火星探測(cè)任務(wù)和空間站運(yùn)輸任務(wù)等。隨著低溫推進(jìn)劑空間無損貯存技術(shù)的發(fā)展，LOX/HC已經(jīng)成為未來空間推進(jìn)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

未來載人登月或載人火星探測(cè)任務(wù)或是其他的長(zhǎng)周期空間軌道機(jī)動(dòng)任務(wù)對(duì)高性能和無毒推進(jìn)需求非常高，空間可貯存的LOX/HC推進(jìn)系統(tǒng)將是一種可行的推進(jìn)解決方案。

LOX/HC推進(jìn)技術(shù)的突破將大幅度提升空間化學(xué)推進(jìn)能力，實(shí)現(xiàn)未來空間化學(xué)推進(jìn)能力的跨越式提升，有效支撐未來深空探測(cè)任務(wù)以及近地軌道飛行任務(wù)。

2.2 重點(diǎn)發(fā)展方向

2.2.1 HAN基單元推進(jìn)技術(shù)

繼續(xù)開展HAN基無毒單元推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制出綜合性能高的無毒可貯存單元推進(jìn)系統(tǒng)，為運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、載人飛船等航天器提供技術(shù)支撐。

2.2.2 N2O/HC雙元推進(jìn)技術(shù)

繼續(xù)開展N2O/HC推進(jìn)劑推進(jìn)系統(tǒng)方案優(yōu)化、推進(jìn)劑貯存供應(yīng)技術(shù)、N2O/HC軌控發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及有效冷卻等關(guān)鍵技術(shù)研究。

2.2.3高性能LOX/HC空間推進(jìn)技術(shù)

建議以LOX/CH4推進(jìn)劑組合為重點(diǎn)，解決高性能LOX/HC推進(jìn)系統(tǒng)兩大核心關(guān)鍵技術(shù)：①發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火技術(shù)；②低溫推進(jìn)劑空間無損長(zhǎng)貯技術(shù)，為研制高性能且空間可貯存的低溫推進(jìn)劑推進(jìn)系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3 高性能電推進(jìn)技術(shù)需求與發(fā)展

3.1 需求分析

電推進(jìn)是空間推進(jìn)技術(shù)的重要組成部分，其主要特點(diǎn)就是通過電能的引入來增加推進(jìn)劑的動(dòng)能，以獲得很高的噴氣速度。一般而言，電推進(jìn)系統(tǒng)可以使得推進(jìn)劑的噴出速度比化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。新的航天任務(wù)對(duì)電推進(jìn)技術(shù)有明確的需求，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。

3.1.1 GEO衛(wèi)星

對(duì)于地球同步軌道衛(wèi)星，如“東四”、“東五”平臺(tái)，僅采用電推進(jìn)完成衛(wèi)星壽命期間的南北位保（NSSK）任務(wù)，就可以節(jié)省上百公斤的質(zhì)量；如果采用電推進(jìn)完成整個(gè)GEO衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移和位置保持任務(wù)，節(jié)省的質(zhì)量將達(dá)上千公斤，效益更是可觀。

3.1.2 深空探測(cè)飛行器

采用高比沖的電推進(jìn)來完成深空探測(cè)飛行器的主推進(jìn)任務(wù)，可以完成某些化學(xué)推進(jìn)難以實(shí)現(xiàn)的星際航行任務(wù)。隨著人類對(duì)深空探測(cè)的熱情越來越高，對(duì)具有高比沖、大總沖特點(diǎn)的電推進(jìn)技術(shù)的需求將更加迫切。

3.1.3 星座及衛(wèi)星編隊(duì)飛行

重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星及衛(wèi)星星座和編隊(duì)飛行，對(duì)具有精確沖量控制的電推進(jìn)技術(shù)有著明確的需求，需要發(fā)展具有精確沖量控制能力的電推進(jìn)技術(shù)。

3.2 重點(diǎn)發(fā)展方向

我國(guó)已經(jīng)具備亞千瓦級(jí)霍爾和千瓦級(jí)離子推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)，但對(duì)于大功率多模式、大推力 (1～100 N)、小功率電推進(jìn)等技術(shù)尚未開展深入研究，其中涉及到新的關(guān)鍵技術(shù)需要解決。重點(diǎn)發(fā)展方向敘述如下。

3.2.1 大功率雙模式電推進(jìn)技術(shù)

雙模式霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)充分利用航天器上的電功率，在給定電功率下有兩個(gè)工作模式：一個(gè)是大推力模式，在此模式下單臺(tái)推力器的推力可以達(dá)到數(shù)百毫牛至數(shù)牛，比沖超過1 200 s，特別適合于GEO衛(wèi)星、探測(cè)器等的慢速軌道轉(zhuǎn)移和機(jī)動(dòng)；另一個(gè)是高比沖模式，在此模式下推力器的比沖可以達(dá)到3 000 s以上，推力在數(shù)十毫牛到上百毫牛，特別適合于GEO衛(wèi)星、探測(cè)器等的軌道、姿態(tài)及位置保持等空間推進(jìn)任務(wù)。

3.2.2 大推力 (1～100 N)電推進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)為超聲波輔助電推進(jìn)

超聲波輔助電推進(jìn)是從超聲波輔助電噴技術(shù)轉(zhuǎn)化而來的一種新型的靜電式膠體推進(jìn)技術(shù)。通過集成現(xiàn)有的超聲波電噴技術(shù)、電推進(jìn)的離子光學(xué)系統(tǒng)、大功率電源技術(shù)以及液體推進(jìn)劑供給技術(shù)，超聲波輔助電推進(jìn)技術(shù)成功地吸取了以上技術(shù)的精華，具有高推力密度（直徑為30 cm的推力器的推力可以達(dá)到數(shù)十牛）、高能量效率、高質(zhì)量利用率、高系統(tǒng)可靠性、可變比沖、易于按比例放大等優(yōu)點(diǎn)。超聲波輔助電推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及推進(jìn)劑供應(yīng)、大功率電源與控制、超聲波電噴和帶電粒子加速等方面。超聲波輔助電推進(jìn)能夠?yàn)榇笮秃教炱骺臻g軌道轉(zhuǎn)移和快速機(jī)動(dòng)提供高效的推進(jìn)動(dòng)力，從而使空間平臺(tái)可以節(jié)約大量的資源（主要是推進(jìn)劑），進(jìn)一步提高快速機(jī)動(dòng)能力，延長(zhǎng)平臺(tái)在軌時(shí)間，降低發(fā)射質(zhì)量。

3.2.3 微功耗脈沖等離子體推進(jìn)技術(shù)

研究功耗在10～50 W的脈沖等離子體推力器以及相關(guān)的電源控制器、測(cè)量和診斷系統(tǒng)，采用新的研究思路，使推力器的效率達(dá)到25%以上，實(shí)現(xiàn)在微小衛(wèi)星組網(wǎng)位置保持和高精度大衛(wèi)星上的姿態(tài)控制應(yīng)用。

3.2.4 FEEP推進(jìn)技術(shù)

針對(duì)微小衛(wèi)星對(duì)高精度姿軌控推進(jìn)系統(tǒng)的需求，開展場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)（FEEP）技術(shù)研究。突破場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)相關(guān)理論及工程研制上的關(guān)鍵技術(shù)，完成PEU功率20 W、比沖6 000～8 000 s、最小沖量小于1×10-8N·s、推力范圍在1～100 N級(jí)場(chǎng)發(fā)射電推力器及推進(jìn)系統(tǒng)的研制，為我國(guó)微小衛(wèi)星的工程研制奠定基礎(chǔ)。

4 微小推力精密空間推進(jìn)技術(shù)需求與發(fā)展

4.1 需求分析

航天器微小型化是航天技術(shù)重要發(fā)展方向之一。小型化對(duì)推進(jìn)技術(shù)的需求主要體現(xiàn)在：小到幾公斤重的微小航天器的姿控，完成干涉測(cè)量任務(wù)所需的航天器星座的精確定位，以及用于補(bǔ)償大型撓性航天器太陽光壓引起的擾動(dòng)力矩等。當(dāng)然，微小航天器對(duì)推進(jìn)技術(shù)提出了不僅是小沖量、小推力的苛刻要求，還包括質(zhì)量、體積、功率的限制。

4.1.1 微小衛(wèi)星及其星座

微小衛(wèi)星及星座對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)具有特殊的要求：微小推力、微小沖量、脈沖或連續(xù)工作方式、高的推進(jìn)劑貯存密度、微小功率、微小體積和質(zhì)量。如激光干涉測(cè)量任務(wù)，要求推力2～20 μN(yùn)，控制沖量為0.1 μN(yùn)·s；對(duì)星座而言需要推力1～10 mN，姿控沖量10 μN(yùn)·s左右，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)不能滿足要求。國(guó)外的微功耗PPT和FEEP已經(jīng)得到工程應(yīng)用，國(guó)內(nèi)還在進(jìn)行原理研究。

4.1.2 航天器高精度、高穩(wěn)定度控制

甚高精度成像衛(wèi)星、激光通信衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡以及空間干涉儀等都要求非常高的姿態(tài)穩(wěn)定度或指向精度，有的要求衛(wèi)星處于完全的寂靜模式，傳統(tǒng)化學(xué)推力器的最小沖量受結(jié)構(gòu)的限制不能做的很小并保持很高的一致性，衛(wèi)星很難達(dá)到非常高的控制精度，微推進(jìn)是唯一的選擇。此外，微小型自動(dòng)尋的飛行器等對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)也提出了微小推力的需求。國(guó)外的液體雙元推力器推力目前最小可達(dá)到0.4 N，我國(guó)為2 N，因此迫切需要開展更小推力（沖量）的液體雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)及微小推力推進(jìn)系統(tǒng)的研制。

4.1.3 特殊航天任務(wù)的需要

如補(bǔ)償大撓性衛(wèi)星因?yàn)樘柟鈮阂鸬臄_動(dòng)、補(bǔ)償稀薄大氣阻力、補(bǔ)償大型偏置天線引起的擾動(dòng)、重力波測(cè)量衛(wèi)星的位置保持等，這些任務(wù)需要的推力也只在毫牛級(jí)甚至更低，只有微推進(jìn)才能完成，常規(guī)化學(xué)推進(jìn)不能滿足要求。

4.2 重點(diǎn)發(fā)展方向

4.2.1 微小超高壓冷氣推進(jìn)系統(tǒng)

針對(duì)航天器超靜超穩(wěn)精確控制等推進(jìn)需求，研制出微小超高壓冷氣推進(jìn)系統(tǒng)，使得該系統(tǒng)具備根據(jù)控制指令實(shí)時(shí)調(diào)整推力大小，實(shí)時(shí)調(diào)整微脈沖大小，并且重復(fù)精度高的能力，為航天器高精度姿態(tài)與軌道控制奠定基礎(chǔ)。重點(diǎn)突破毫牛級(jí)冷氣推力器及推力調(diào)節(jié)技術(shù)、大減壓比高精度減壓閥技術(shù)以及微小推力測(cè)量技術(shù)。

4.2.2 微小推力雙元推進(jìn)技術(shù)

研究2 N級(jí)以下的微小推力雙元推力器，提高航天器的沖量控制精度，滿足有高精度和高穩(wěn)定度控制要求的航天器的姿態(tài)控制需求。

4.2.3 電熱肼增強(qiáng)推力器技術(shù)

研究1 N級(jí)以下的電熱肼增強(qiáng)推力器，將單元肼推力器的比沖從220 s提高到300 s左右，用于低軌道衛(wèi)星平臺(tái)的軌道提升和軌道機(jī)動(dòng)。

4.2.4 電阻加熱推力器技術(shù)

研究100 mN級(jí)以下的電阻加熱推力器，作為冷氣推力器的升級(jí)換代產(chǎn)品將比沖從60 s提高到100 s以上，用于小衛(wèi)星平臺(tái)的姿態(tài)控制系統(tǒng)。

4.2.5 基于MEMS的固體升華微推進(jìn)技術(shù)

研究具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)的毫牛級(jí)和微牛級(jí)的固體升華微推力器，用于天基組網(wǎng)的微小衛(wèi)星。

5 新概念推進(jìn)技術(shù)需求與發(fā)展

5.1 需求分析

推進(jìn)技術(shù)具有很好的繼承性，因此不僅要吃透現(xiàn)有技術(shù)，還應(yīng)不斷進(jìn)行新技術(shù)的探索。

對(duì)于深空探測(cè)和宇宙航行，傳統(tǒng)的推進(jìn)方式需要自身攜帶大量的推進(jìn)劑，如要快速進(jìn)行探測(cè)和超長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)需要的推進(jìn)劑量將是巨大的，因此必須采用新型推進(jìn)技術(shù)。

5.2 重點(diǎn)發(fā)展方向

新概念推進(jìn)主要有三種基本途徑：極高的比沖（如聚變核推進(jìn)、反物質(zhì)推進(jìn)）、動(dòng)量交換（動(dòng)量交換繩系、太陽帆、等離子體帆、束能推進(jìn)等）以及無工質(zhì)推進(jìn)。

盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)新概念推進(jìn)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的廣泛研究，但成果并不明顯，主要是投入太高且難以驗(yàn)證。因此，應(yīng)對(duì)新概念推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行充分論證，重點(diǎn)發(fā)展。建議現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)展空間核推進(jìn)技術(shù)、太陽熱推進(jìn)技術(shù)及太陽帆推進(jìn)技術(shù)。

空間核推進(jìn)技術(shù)包括核電/核熱一體化推進(jìn)技術(shù)和基于核電的大功率霍爾推進(jìn)技術(shù)。

核電/核熱一體化推進(jìn)技術(shù)要研究空間核熱推進(jìn)與核電推進(jìn)的可能形式、工作原理、主要技術(shù)瓶頸及可能解決方案，提出可行的系統(tǒng)及主要關(guān)鍵部組件方案并通過理論分析計(jì)算及適當(dāng)規(guī)模組件級(jí)及分系統(tǒng)級(jí)的模擬試驗(yàn)，獲得這些方案的工作性能并據(jù)此提出對(duì)材料、工藝、加工能力等綜合需求，為下一步開展工程研制和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

基于核電的大功率霍爾推進(jìn)技術(shù)要以深空探測(cè)器主推進(jìn)為應(yīng)用背景，結(jié)合空間核電源的發(fā)展，開展基于核電的大功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)研究，突破10 kW級(jí)霍爾電推進(jìn)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)，形成10 kW級(jí)霍爾推力器、二次轉(zhuǎn)換電源的原理樣機(jī)，為深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

推進(jìn)技術(shù)是一項(xiàng)相對(duì)傳統(tǒng)的技術(shù)，又是一些戰(zhàn)略任務(wù)的使能技術(shù)，注重技術(shù)的成熟性，可牽引新概念、新原理及新方法的應(yīng)用，研制難度大，需要循序漸進(jìn)。

近年來，我國(guó)的空間推進(jìn)技術(shù)取得了很大發(fā)展，其中有些已接近世界先進(jìn)水平，但是總體上與國(guó)外相關(guān)技術(shù)仍存在著較大的差距。因此，為更好地滿足我國(guó)未來航天技術(shù)發(fā)展對(duì)空間推進(jìn)技術(shù)的需求，提出以下幾點(diǎn)建議。

1）加快化學(xué)推進(jìn)的產(chǎn)品更新?lián)Q代。我國(guó)空間推進(jìn)技術(shù)研究開始較早，目前的大部分技術(shù)和產(chǎn)品是很早以前開發(fā)的，已經(jīng)無法滿足長(zhǎng)壽命、高可靠、高性能和以輕質(zhì)化、集成化、快速響應(yīng)、微鈉衛(wèi)星星座等為代表的新領(lǐng)域需要，必須加快新產(chǎn)品的開發(fā)和老產(chǎn)品的更新?lián)Q代。

2）加快無毒推進(jìn)技術(shù)研發(fā)進(jìn)程。隨著人類環(huán)保意識(shí)的提高以及科技的進(jìn)步，無毒化是化學(xué)推進(jìn)技術(shù)的必然趨勢(shì)。

3）加大電推進(jìn)研究的投入和支持力度，盡早啟動(dòng)大功率電推進(jìn)技術(shù)等的預(yù)先研究，盡快形成新技術(shù)研發(fā)能力，同時(shí)努力解決制約電推進(jìn)發(fā)展的瓶頸問題，如長(zhǎng)壽命陰極、耐濺射柵極、高效大功率電源等。

4）微推進(jìn)研究必須盡快納入工程研發(fā)體系。微推進(jìn)是一項(xiàng)具有巨大潛力的牽引技術(shù)，能廣泛帶動(dòng)產(chǎn)品小型化和微型化，將許多前沿技術(shù)引入到傳統(tǒng)專業(yè)技術(shù)中，要改變微推進(jìn)只為微小衛(wèi)星服務(wù)的理念，盡早將它納入工程產(chǎn)品研發(fā)體系。

5）聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位盡早開展新概念推進(jìn)技術(shù)研究。新概念推進(jìn)具備高風(fēng)險(xiǎn)高回報(bào)的特點(diǎn)，需要長(zhǎng)期的鉆研和投入，單純依靠一家或幾家單位難以勝任。建議由空間推進(jìn)技術(shù)工程應(yīng)用單位牽頭，國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位共同開展工作，同時(shí)注重投入的持續(xù)性。

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