電推進(jìn)系統(tǒng)在深空探測中應(yīng)用

肖應(yīng)超

摘 要 推進(jìn)系統(tǒng)是航天器的動力之源，隨著近幾十年來人類在太空探索中的不斷深入，航天器推進(jìn)系統(tǒng)也在不斷完善與進(jìn)步，從最早的冷氣推進(jìn)到化學(xué)推進(jìn)，再到電推進(jìn)以及未來將會采用的核推進(jìn)，推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展也隨著航天器任務(wù)的變化朝著質(zhì)量更輕、效率更高、比沖更大、成本更低的方向發(fā)展。電推進(jìn)技術(shù)由于其更高的效率和更大的比沖，必將成為未來航天器推進(jìn)系統(tǒng)的主流。本文簡述了電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷史，對現(xiàn)階段的電推進(jìn)系統(tǒng)的分類與特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并指出了現(xiàn)階段電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞 航天器 推進(jìn)系統(tǒng) 電推進(jìn)系統(tǒng)

中圖分類號：V439 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1背景

航天技術(shù)水平作為衡量一個國家綜合國力的重要指標(biāo)，成為世界大國競相發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。而深空探測作為航天技術(shù)發(fā)展的重要組成部分，引起了各國的重點(diǎn)關(guān)注。推進(jìn)系統(tǒng)是深空探測的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接關(guān)系到探測任務(wù)能否順利完成。隨著探測任務(wù)難度的不斷增加，對推進(jìn)系統(tǒng)的要求也不斷增加。工作穩(wěn)定、比沖高、功率變化范圍大等要求成為推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的問題。傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)動機(jī)噴射工質(zhì)的速度較低，必須攜帶大量推進(jìn)劑以保證完成任務(wù)，而這對于深空探測來說將會極大降低探測效率。電推進(jìn)系統(tǒng)工質(zhì)的出口速率可以達(dá)到化學(xué)系統(tǒng)的十倍以上，其可以大幅增加航天器的有效載荷率，并且由于其可重復(fù)啟動、質(zhì)量輕、壽命長，再加上近年來電推進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展以及在深空探測器上的成功使用，電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸成為深空探測的主要推進(jìn)系統(tǒng)。

2電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展歷史

電推進(jìn)的理論開始于20世紀(jì)初期。1906年美國科學(xué)家便提出了用電能加速帶電粒子產(chǎn)生推力的思想，1911年，著名的俄國科學(xué)家齊奧爾科夫斯基也曾設(shè)想利用帶電粒子作為空間噴氣的推進(jìn)劑。隨后的30、40年時間，全世界的科學(xué)家提出了多種電推力器的方案和理論，并且進(jìn)行了大量的演示實(shí)驗(yàn)，論證了空間電推進(jìn)的可行性。從20世紀(jì)50年代末開始，電推力器進(jìn)入到了工程研究階段。1958年，美國人成功運(yùn)行了第一臺銫接觸式離子推力器，1960年，NASA運(yùn)行了第一臺電子轟擊式離子推力器，蘇聯(lián)也于1966年試驗(yàn)了第一臺靜態(tài)等離子體推力器。至今，全世界大約有200多顆地球軌道衛(wèi)星和深空探測器，使用過近500臺電推進(jìn)系統(tǒng)。電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方興未艾。

3電推進(jìn)技術(shù)的分類

電推進(jìn)技術(shù)的種類多種多樣，目前常見的可將電推進(jìn)分為四類：電熱式、電磁式、靜電式、混合式。電熱式有電阻加熱、電弧加熱、微波加熱等形式。電阻加熱是利用電阻加熱器對工質(zhì)加熱使其膨脹噴出。電弧加熱通過電弧放電加熱氣體工質(zhì)，溫度可以達(dá)到10000-20000K，其可獲得更高的能量。微波加熱是通過振蕩的電磁場加熱工質(zhì)。電磁式有脈沖等離子推進(jìn)和磁等離子推進(jìn)等，電磁式主要利用電能電離工質(zhì)并產(chǎn)生磁場，被電離的工質(zhì)在磁場中受到洛倫茲力而加速噴出，形成推力。靜電式有磁效應(yīng)推進(jìn)、離子推進(jìn)等形式，其原理是利用靜電場電離工質(zhì)并加速帶電工質(zhì)。兼顧不同方式的技術(shù)，稱為混合式，典型的有霍爾效應(yīng)推進(jìn)，霍爾效應(yīng)推進(jìn)器是目前一種技術(shù)比較成熟的推進(jìn)系統(tǒng)，它兼具有電磁式或靜電式的特點(diǎn)，帶電離子在電場中加速，而電場則是由等離子體與磁場的相互作用產(chǎn)生的。

4目前典型的電推進(jìn)航天器

4.1全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺

全電推進(jìn)衛(wèi)星是指星箭分離后完全依靠電推進(jìn)系統(tǒng)變軌進(jìn)入工作軌道，且入軌后位置的保持也采用電推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星。2012年，波音公司首次推出了全球首款全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺，拉開了全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺研制的序幕。

4.2深空探測器的應(yīng)用

日本隼鳥任務(wù)的目標(biāo)是探測S類近地小行星絲川并采樣返回地球，而離子電推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)主要是巡航階段的主推進(jìn)，此外，在其他的一些階段還承擔(dān)軌道偏心修正、姿態(tài)調(diào)整和位置保持等任務(wù)。美國黎明號則是一次真正意義上的利用電推進(jìn)系統(tǒng)完成探測任務(wù)的航天器。在整個任務(wù)中，離子電推進(jìn)系統(tǒng)提供發(fā)射后的速度增量，以滿足衛(wèi)星在行星之間的軌道轉(zhuǎn)移。

5電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

從電推進(jìn)理論建立到試驗(yàn)的成功進(jìn)行再到真正的應(yīng)用，目前已經(jīng)實(shí)施或者計(jì)劃實(shí)施的采用電推進(jìn)作為主推進(jìn)的航天器仍然是屈指可數(shù)的，但每一個采用電推進(jìn)系統(tǒng)的航天器都受到了全球各個國家的關(guān)注。在航天大國，電推進(jìn)也已經(jīng)被列為21世紀(jì)關(guān)鍵的航天技術(shù)。從大推力高比沖的航天器發(fā)展方向來看，電推進(jìn)必將是一個重要的研究方向。按照目前狀態(tài)來看，其發(fā)展必將經(jīng)歷小、中、大功率三個階段。kW級的小功率太陽能電推進(jìn)，應(yīng)用在小型探測器，在改善航天器性能以及節(jié)省工質(zhì)等方面具有優(yōu)勢。10-100kW級中功率太陽能電推進(jìn)，應(yīng)用于中型探測器，可以獲得更好的飛行性能，但其還處于論證階段。100kW以上級大功率太陽能或核能推進(jìn)，其還處于設(shè)想階段。隨著人們對深空探測要求的不斷增強(qiáng)，人們對于大推力高比沖的推進(jìn)系統(tǒng)要求將會更加嚴(yán)格。就目前的技術(shù)條件來看，如果說化學(xué)推進(jìn)還可以替代中小功率的太陽能電推進(jìn)技術(shù)，但是大推力的核電推進(jìn)則是化學(xué)推進(jìn)難以替代的，核電推進(jìn)系統(tǒng)幾乎是實(shí)現(xiàn)大推力高比沖要求的唯一途徑，因此，電推進(jìn)系統(tǒng)也必將朝著核電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展。

6結(jié)語

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測成為眾多航天大國重視的方向。為了完成既定的任務(wù)，需要不斷完善推進(jìn)系統(tǒng)。電推進(jìn)系統(tǒng)正是在這樣的背景下迅速發(fā)展起來的。從試驗(yàn)到正式應(yīng)用，電推進(jìn)系統(tǒng)將在深空探測和星際航行中發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢。雖然現(xiàn)階段電推進(jìn)系統(tǒng)還沒有廣泛的應(yīng)用到航天器上，但相信隨著各種關(guān)鍵技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，未來的電推進(jìn)技術(shù)必將大有用武之地。

參考文獻(xiàn)

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