全電推進衛(wèi)星平臺現(xiàn)狀與進展

魏冰潔，孫小菁，王小永

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

全電推進衛(wèi)星平臺現(xiàn)狀與進展

魏冰潔，孫小菁，王小永

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

全電推進技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅縮減衛(wèi)星推進劑攜帶量，增加有效載荷，是降低商業(yè)通信衛(wèi)星研制及發(fā)射綜合費用贏得市場的重要途徑。在調(diào)研國內(nèi)外全電推進平臺的基礎(chǔ)上，給出全電推進早期發(fā)展歷史、現(xiàn)階段技術(shù)特點、研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，為未來我國全電推進平臺的開發(fā)研制提供有價值的參考。

全電推進平臺；研究現(xiàn)狀；技術(shù)特點

0　引言

地球同步軌道通信衛(wèi)星的競爭日趨激烈，采取措施降低衛(wèi)星研制及發(fā)射綜合費用是贏得市場的重要途徑。中小型通信衛(wèi)星既可用于新興市場的探索性開拓，也可以用于接替衛(wèi)星市場，據(jù)預(yù)測，2013～2022年期間發(fā)射的重量4 200 kg以下的中小型通信衛(wèi)星市場需求將占到40%，低成本中小型通信衛(wèi)星將在國際市場占據(jù)重要地位[1-4]。

全電推系統(tǒng)采用高比沖的電推進系統(tǒng)（如離子電推進或霍爾電推進等）來實現(xiàn)星箭分離后的衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移、衛(wèi)星入軌后的在軌位置保持、動量輪卸載及離軌等任務(wù)，取代復(fù)雜的雙組元統(tǒng)一推進系統(tǒng)，可大幅縮減衛(wèi)星的推進劑攜帶量，在承載同等有效載荷重量情況下可使衛(wèi)星發(fā)射重量下降約一半，從而可實現(xiàn)中小型通信衛(wèi)星的一箭雙星發(fā)射，有效降低綜合研制費用。

目前，國際主流通信衛(wèi)星研制商均開展了全電推衛(wèi)星平臺開發(fā)?；诓ㄒ艄救娡破脚_702SP的兩顆通信衛(wèi)星于2015年通過一箭雙星方式進行發(fā)射。我國從2000年開始發(fā)射的多顆中等容量通信衛(wèi)星，目前開始陸續(xù)達到服務(wù)壽命，需要發(fā)射接替衛(wèi)星，采用全電推衛(wèi)星平臺將有效的滿足商業(yè)通信衛(wèi)星市場的低成本要求[5-6]。

1　國外全電推進技術(shù)研究

國外從20世紀50年代起就對電推進技術(shù)進行大規(guī)模的理論與試驗研究，于20世紀80年代實現(xiàn)了電推進系統(tǒng)的空間商業(yè)應(yīng)用，早期的電推進技術(shù)研究與產(chǎn)品研制主要針對單模式電推進，推力器輸入功率大都在1 kW量級，主要目標為GEO衛(wèi)星南北位保。在單模式電推進得到廣泛和成熟應(yīng)用后，20世紀末將電推進技術(shù)研究的重點轉(zhuǎn)向針對GEO衛(wèi)星軌道控制、軌道轉(zhuǎn)移以及深空探測等多任務(wù)應(yīng)用的多模式電推進領(lǐng)域，主要的研究國家有美國、俄羅斯、日本、英國、德國和法國等，其中美國、日本、英國和德國的研究重點為離子電推進，俄羅斯與法國則主要針對霍爾電推進開展研究，各個國家經(jīng)過十多年的努力，多款多模式電推進系統(tǒng)相繼研制成功并完成了大量地面試驗驗證，部分多模式電推進系統(tǒng)在GEO衛(wèi)星平臺上得到了廣泛應(yīng)用[7-13]。

1.1美國

美國波音公司于1999年成功研制出了雙模式高性能離子電推進系統(tǒng)—XIPS-25氙離子電推進系統(tǒng)，主要針對新一代高功率通信衛(wèi)星平臺—BBS-702HP開發(fā)和研制，系統(tǒng)最高輸入功率4.5 kW，具有高功率大推力和低功率高比沖兩種工作模式，分別應(yīng)用于衛(wèi)星軌道提升或軌道轉(zhuǎn)移和衛(wèi)星位置保持[4]。1999年12月，XIPS-25離子電推進系統(tǒng)首次成功應(yīng)用于Galaxy 11大型通信衛(wèi)星執(zhí)行衛(wèi)星南北位保任務(wù)，此后XIPS-25在BBS-702HP平臺各種衛(wèi)星上得到廣泛應(yīng)用，承擔衛(wèi)星在軌工作期間的南北位保任務(wù)，以及變軌末期的GEO軌道圓化等部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。截至2013年底，使用XIPS-25離子電推進系統(tǒng)的衛(wèi)星總數(shù)達到了20顆[14-16]。

表1　XIPS-25離子電推進系統(tǒng)主要技術(shù)指標與工作參數(shù)

2010年，波音公司向全世界宣布正式啟動全球首個全電推進衛(wèi)星平臺—BBS-702SP平臺開發(fā)計劃，其特點是取消了雙組元化學(xué)推進，采用基于XIPS-25雙模式離子電推進系統(tǒng)的全電推進技術(shù)，以實現(xiàn)衛(wèi)星變軌與位置保持等所有推進任務(wù)，顯著降低了衛(wèi)星規(guī)模[17]。BBS-702SP平臺本體尺寸1.8 m、1.9 m、3.5 m，起飛重量不超過2 000 kg，有效載荷重量500 kg，每顆衛(wèi)星上共配置4臺XIPS-25離子推力器，變軌階段2臺推力器同時工作，主要用于深空探測任務(wù)[5]。

2015年3月2日，歐洲通信衛(wèi)星公司（EUTELSAT）的Eutelsat-115West B和亞洲廣播衛(wèi)星公司（ABS）的ABS-3A，采用一箭雙星方式成功發(fā)射，這是全球首個全電推進衛(wèi)星平臺—波音公司BBS-702SP平臺的首次發(fā)射。同年9月ABS-3A和Eutelsat-115分別先后抵達預(yù)定軌道開始工作。XIPS-25因此成為全球第一個，也是截至目前唯一一個應(yīng)用于全電推進衛(wèi)星平臺的多模式電推進系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　XIPS-25離子推力器和PPU

除離子電推進外，美國也同步開展了霍爾電推進技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)工作。洛克希德·馬丁公司針對A2100M平臺應(yīng)用，于1998年前后與Aemiet公司聯(lián)合發(fā)展了5 kW多模式霍爾電推進—BPT-4000，該系統(tǒng)中霍爾推力器輸入功率為3.0～4.5 kW，比沖為1 769～2 076 s，推力為168～294 mN，工作電壓為300～400 V，壽命超過6 000 h?；贏2100M平臺的先進極高頻大型軍用通信衛(wèi)星已于2010～2013年期間發(fā)射成功[18-19]。2013年9月，洛馬公司開始對A2100M平臺進行全電推進升級改造，將使用更大推力的霍爾推力器減少衛(wèi)星入軌時間，并且支持一箭雙星發(fā)射[7]。

1.2俄羅斯

俄羅斯是世界上最早開展電推進技術(shù)研究的國家，首先在霍爾電推進技術(shù)上取得了突破，并于1982年在世界上率先實現(xiàn)了電推進技術(shù)的空間應(yīng)用，代表性產(chǎn)品有輸入功率為1.35 kW的SPT-100低功率單模式霍爾電推進器，應(yīng)用領(lǐng)域主要為GEO衛(wèi)星南北位置保持。20世紀90年代SPT系列霍爾電推進產(chǎn)品廣泛進入商業(yè)化應(yīng)用階段[20-21]。

在SPT-70和SPT-100得到廣泛、成熟的商業(yè)應(yīng)用后，2002年前后開發(fā)出了輸入功率為4.5 kW的多模式霍爾電推進系統(tǒng)—SPT-140，如表2所列。俄羅斯通常利用火箭的上面級使用直接入軌式將衛(wèi)星送入軌道，再利用霍爾推力器進行衛(wèi)星的位置保持，達到了全電推進平臺減少推進劑攜帶量，增加有效載荷的目的。2013年12月俄羅斯衛(wèi)星通信公司（RSCC）發(fā)射的Express-AM5衛(wèi)星，使用霍爾推力器完成軌道轉(zhuǎn)移，于2014年3月進入預(yù)定工作軌道，成功驗證了霍爾電推進技術(shù)完成軌道提升任務(wù)的能力，為未來全電推進衛(wèi)星研制打下堅實的基礎(chǔ)[8，22-23]。

表2　俄羅斯SPT-140霍爾推力器主要技術(shù)指標與工作參數(shù)

1.3日本

日本東芝公司針對GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移和星際探測應(yīng)用，在單模式IE-12基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了高功率多模式直流放電型離子推力器IE-35，該產(chǎn)品在實驗室模型5 000 h試驗中的性能為功率3.3 kW、推力器150 mN、比沖3 518 s，表3列出了該產(chǎn)品的主要性能拓展驗證結(jié)果。目前該產(chǎn)品仍處于地面開發(fā)與驗證階段，其性能達到了全電平臺高比沖大推力的需求，未來可用于全電推進衛(wèi)星平臺的開發(fā)研制[24]。

表3　日本高功率多模式離子推力器IE-35主要性能

1.4歐洲

針對GEO衛(wèi)星和深空探測器應(yīng)用，為滿足全電平臺大功率高可靠性能需求，歐洲各國積極開展多模式電推進的研究。其中德國和英國的研究主要針對離子電推進，法國則面向霍爾電推進。

英國QinetiQ公司于90年代中期成功開發(fā)出多模式離子電推進產(chǎn)品T-6。該推力器束流直徑22 cm，最大額定功率4.5 kW，具有5種工作模式，應(yīng)用目標為歐空局貝皮—科倫布（BepiColombo）水星探測器推進任務(wù)和歐空局AlphaBus通信衛(wèi)星平臺南北位保及軌道提升任務(wù)[25-26]。

表4　英國T6推力器主要性能指標與工作參數(shù)

德國從1960年起就開始獨立發(fā)展射頻離子電推進系統(tǒng)，2001年12月，ESA的阿特米斯（Artemis）衛(wèi)星采用兩套RIT-10和兩套英國T-5離子電推進系統(tǒng)進行衛(wèi)星南北位保任務(wù)。RIT-22是德國針對歐洲水星探測使用和GEO衛(wèi)星南北位保與軌道提升等未來大速度增量、高比沖任務(wù)需求所開發(fā)的一款多模式離子電推進系統(tǒng)，如表5所列[27-28]。

表5　德國高功率多模式離子推力器RIT-22主要性能

法國在引進SPT-100霍爾推力器的基礎(chǔ)上，成功研制了霍爾電推進PPS 1350-G系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于2003年9月27日發(fā)射的SMART-1月球探測器主推進任務(wù)。PPS 1350-G推力器額定功率1 500 W，推力89 mN，放電電壓350 V，比沖1 650 S。已經(jīng)通過10 500 h的長壽命高可靠的實驗驗證。歐洲的新一代大型GEO平臺@Bus初期采用4臺PPS 1350-G霍爾推力器執(zhí)行南北位置保持任務(wù)，后期將采用5 kW級的PPS 5000多模式霍爾推力器，擴展執(zhí)行軌道提升任務(wù)[29]。PPS 5000霍爾推力器總沖超過7×106N·S，推力210～360 mN，比沖1 650～2 550 s，功率4.5～6 kW。在研制傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)霍爾推力器的同時，歐洲Thales公司于2000年左右提出了高效率多級等離子體推力器（High Efficient MultistagePlasma thrust?er，HEMP）的多模式霍爾推力器，其采用軸向串聯(lián)的多級磁場拓撲結(jié)構(gòu)，大大降低等離子體對放電室壁的碰撞和削蝕，實現(xiàn)長壽命。HEMP將在Small GEO平臺上進行在軌試驗[30-31]。

2013年，ESA和OHB與SES（盧森堡歐洲衛(wèi)星公司）聯(lián)合開發(fā)全電推進衛(wèi)星平臺—Electra平臺，其基于OHB公司的SGEO平臺進行開發(fā)，基本配置為4臺大功率霍爾電推進器，每臺最大功率3.2 kW。首顆衛(wèi)星計劃于2018年發(fā)射[32]。

2　國內(nèi)全電推進技術(shù)研究

我國首個全電推進衛(wèi)星平臺和下一代地球同步軌道衛(wèi)星平臺均確定采用電推進系統(tǒng)，承擔衛(wèi)星在軌期間的全位保和軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。國內(nèi)從事電推進技術(shù)研究的單位較多，但開展空間應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)與研制的單位只有510所、801所和502所三家單位，2013年之前，國內(nèi)各單位電推進產(chǎn)品開發(fā)主要針對低功率單模式離子與霍爾電推進，并在這一領(lǐng)域取得了許多技術(shù)突破，積累了比較豐富的產(chǎn)品研制經(jīng)驗，510所針對GEO衛(wèi)星南北位保應(yīng)用研制的LIPS-200離子電推進系統(tǒng)和801所開發(fā)的HET-70霍爾電推進系統(tǒng)于2013年底在SJ-9A衛(wèi)星上完成了空間飛行試驗，系統(tǒng)對空間環(huán)境的適應(yīng)性以及在軌工作穩(wěn)定性、可靠性和與衛(wèi)星間的工作相容性得到了良好驗證。2012年，510所的LIPS-200電推進入選我國中等容量通信衛(wèi)星平臺電推進分系統(tǒng)標準配置，承擔衛(wèi)星在軌全壽命周期中的南北位保任務(wù)，這是我國電推進產(chǎn)品的首次空間應(yīng)用，目前LIPS-200電推進已進入AIT階段，同時完成了離子推進地面1∶1壽命驗證，累計點火時間超過12 000 h、開關(guān)機次數(shù)超過6 000次，試驗結(jié)果表明，LIPS-200離子電推進系統(tǒng)已經(jīng)具備確保衛(wèi)星在軌可靠運行15年以上的能力，且具有較大的壽命裕度空間。同時，也標志著我國在離子電推進長壽命與高可靠方面取得了重大進展和重要技術(shù)突破。

近10年來，國內(nèi)在電推進技術(shù)研究與產(chǎn)品研發(fā)方面取得了快速發(fā)展，離子與霍爾兩種國際主流電推進系統(tǒng)研制所涉及的許多關(guān)鍵技術(shù)陸續(xù)得到解決與突破，多種類型、不同規(guī)格的單模式電推進產(chǎn)品相繼研制成功，并完成或即將開展在軌飛行試驗，針對通信衛(wèi)星的全電推進平臺也在開發(fā)研制過程中。為我國電推進產(chǎn)品的航天型號應(yīng)用奠定了良好的技術(shù)與產(chǎn)品基礎(chǔ)，與國外航天技術(shù)先進國家之間在電推進領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)品差距顯著縮小。

3　全電推進技術(shù)發(fā)展趨勢及特點

3.1發(fā)展趨勢

全面分析國內(nèi)外全電推進的技術(shù)發(fā)展、產(chǎn)品研制與空間應(yīng)用，可以看出，全電推進具有兩個方面的技術(shù)發(fā)展趨勢。

（1）以成熟的單模式電推進基礎(chǔ)開展多模式技術(shù)開發(fā)研究，無論是美、俄還是歐、日，針對多模式電推進的技術(shù)研究與產(chǎn)品研制都是在充分繼承已得到廣泛應(yīng)用或飛行驗證的單模式電推進技術(shù)與產(chǎn)品基礎(chǔ)上來開展，如美國XIPS-25的研制基于XIPS-30技術(shù)與應(yīng)用的成熟性；俄羅斯的SPT-140是在SPT-100得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)已達到成熟與穩(wěn)定基礎(chǔ)上開發(fā)的；英國的T-6、德國的RIT-22和日本的IE-35也分別是在T-5、RIT-10和IE-12等單模式電推進實現(xiàn)航天應(yīng)用的基礎(chǔ)上通過進一步的設(shè)計增強與改進開展產(chǎn)品的開發(fā)與研制工作。

（2）各推力器生產(chǎn)商充分考慮技術(shù)的繼承性，美、俄、日、歐等航天機構(gòu)，正在依據(jù)各自在電推進領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，分別在同步、并行開展離子與霍爾兩種多模式電推進技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)與研制及型號應(yīng)用等工作，其中英國、德國與日本以離子型為主，俄羅斯和法國則主要針對霍爾類型，美國在離子與霍爾兩種類型上同時都在開展工作。

3.2技術(shù)特點

（1）大功率、高效率。僅針對GEO衛(wèi)星南北位保應(yīng)用的單模式電推進相比，國外多模式電推進的性能大幅提高，離子電推進的推力從單模式的幾十mN提高到了大推力模式下的200 mN左右，以適應(yīng)GEO衛(wèi)星軌道提升或軌道轉(zhuǎn)移時間要求，最高比沖也從2 000～3 000 s之間提高至4 000 s左右；霍爾電推進的推力也從幾十mN提高到了大推力模式下的接近300 mN以適應(yīng)GEO衛(wèi)星軌道提升或軌道轉(zhuǎn)移時間要求，最高比沖也從1 500 s左右提高至2 000 s以上。推力指標的提高也極大地提升了系統(tǒng)或推力器對輸入功率的需求，國外多模式電推進，無論是離子還是霍爾，其推力器最高工作功率基本上都在5.0 kW左右，與單模式相比整整提高了3～5倍。同時對于多模式電推進，離子推力器電效率控制在72%～80%左右，推進劑利用率在75%～90%左右，霍爾推力器電效率60%～70%，相比單模式都有所提升。

（2）高可靠、長壽命。由于全電推進不僅要承擔南北位保、東西位保、動量輪卸載等衛(wèi)星在軌期間的軌道控制任務(wù)，而且還要完成衛(wèi)星軌道提升或全部軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，全電推進衛(wèi)星平臺將完全取消原有的化學(xué)推進，衛(wèi)星從星箭分離后的所有推進任務(wù)全部由電推進系統(tǒng)承擔，多任務(wù)使命對其工作壽命與可靠性提出了更高要求。多模式下離子推力器總比沖能夠達到4 000 s，最高能達到5 200 s，霍爾推力器可以達到2 100 s，與單模式相比提高了30%～40%。

4　總結(jié)

國外針對全電推進衛(wèi)星平臺，開展了大量的研究工作，已突破多項關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)研究也緊跟著其發(fā)展趨勢。通過比較國內(nèi)外全電推進技術(shù)特點，結(jié)合我國電推進技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，建議我國全電推進技術(shù)發(fā)展方向：充分利用我國已開展的離子、霍爾推力器研究成果，以成熟的單模式電推進為基礎(chǔ)，開展多模式電推進技術(shù)研究。通過對推力器放電室、柵極技術(shù)優(yōu)化，提高推力器的輸出能力和比沖。合理設(shè)計不同工作模式下推力器的工作參數(shù)，確保各模式下推力器性能的匹配。并積極開展多模式電推進器和全電推進系統(tǒng)的仿真模擬研究。

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THE REVIEW OF ALL-ELECTRIC PROPULSION PLATFORM ON SATELLITE

WEI Bing-jie，SUN Xiao-jing，WANG Xiao-yong
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The application of All-Electric Propulsion Platform allows fewer propellant and more payload on satellite，which is an important approach to lower the research and launch costs of commercial communication satellites.Base on the investigation about the development of All-Electric Propulsion Platform，this paper introduces the early development history，current technical characteristics，research status and the prospects of All-Electric Propulsion Platform.It provides a reference on the development of All-Electric Propulsion Platform.

All-Electric Propulsion Platform；research status；technical characteristics

V439

A

1006-7086（2016）05-0301-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.012

2016-06-14

魏冰潔（1989-），男，甘肅蘭州人，碩士研究生，主要從事空間電推進技術(shù)研究。E-mail：weibingjie@163.com。