電推進系統的過去、現在及未來

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當前，航天器主要使用化學推進系統和電推進系統?；瘜W推進系統是在航天器內加注化學推進劑并產生化學反應，產生推力，推動火箭飛行；電推進系統是使用電能產生推力，推動航天器飛行。相比起化學推進系統，電推進系統所需要加注的推進劑少，且不必受推進劑產生/釋放化學能量大小的制約，可以有效地將電能轉化為動能，具有比沖高、工作時間長的優(yōu)勢。在太空特有的真空失重狀態(tài)下，電推進系統能夠長時間工作，持續(xù)做功，幫助航天器完成位置保持和軌道機動。

隨著航天技術的發(fā)展，航天器使用的推進系統也逐漸向質量輕、體積小、效率高發(fā)展。因此，比沖高、壽命長、體積小且污染少的電推進系統正受到航天界的青睞。尤其是對微/小型商業(yè)衛(wèi)星以及需要長時間工作的深空探測器來說，綠色環(huán)保的電推進系統已成為優(yōu)先考慮的方向。美國、俄羅斯/蘇聯和中國已經在電推進系統的研究和應用上取得了一些成果，并已經制定了未來電推進系統的研究計劃，將把電推進系統應用在更廣泛的航天項目中。

▲ 空間電火箭實驗1號

▲ 空間電火箭實驗2號

▲ 100千瓦可變比沖磁等離子體火箭

▲ 200千瓦可變比沖磁等離子體火箭

電推系統的工作方式

電推力器是電推進系統的核心部件，按照工作原理的不同分為三種：電熱式推力器、靜電式推力器和電磁式推力器。

電熱式推力器需要對加注的推進劑進行加熱使其氣化，并從尾部噴管噴出，產生推力。

靜電式推力器是利用電能把推進劑進行電離, 形成電子和離子, 并在靜電場作用下使帶正電的離子加速從尾部噴管噴出，從而產生推力。由于產生推力的物質是離子, 因此靜電式推力器又被稱為“離子推力器”。

電磁式推力器是利用電能將推進劑電離成等離子體,在外加電磁場(洛倫茲力) 的作用下，使等離子體加速從尾部噴管噴出, 產生推力。由于產生推力的物質是等離子體，所以電磁式推力器又被稱為 “等離子體推力器”。

美國的“電推”項目

美國很早就開始進行電推力器的研制。早在1906年，戈達德就提出了“使用電能加速帶電粒子產生推力”的思想。此后，在1946-1957年間，又有其他科學家提出了多種類型電推力器的研究方案和理論，論證了在太空中使用電推力器的可能性。1958年8月，科學家弗雷斯特研制出了世界上首臺靜電式推力器——銫接觸式離子推力器，并成功進行了測試。

1962-1964年間，美國將銫接觸式離子推力器安裝在偵察兵火箭上，并進行了3次飛行試驗。此后幾年，美國又對這種電推力器進行了幾次測試，但由于銫接觸式離子推力器里面的多孔鎢零部件的熱損較嚴重，并且這種推力器的工作效率低，從20世紀70年代后，這種推力器便停止研制了。

1960年，美國宇航局科學家考夫曼研制出了另外一種靜電式推力器——電子轟擊式離子推力器，并成功進行測試。1964年7月20日，美國發(fā)射了名為“空間電火箭實驗1號”的衛(wèi)星，衛(wèi)星上安裝了2臺靜電式推力器，包括1臺銫接觸式離子推力器和1臺電子轟擊式離子推力器。其中，電子轟擊式離子推力器工作狀態(tài)良好，但銫接觸式離子推力器未能點火啟動。

▲ 傳統的霍爾推力器

▲ 三通道霍爾推力器

▲ 三通道霍爾推力器

▲ 三通道霍爾推力器點火

▲ 三通道霍爾推力器在測試中

1970年2月，美國又發(fā)射了“空間電火箭試驗2號”，該衛(wèi)星上安裝了2臺電子轟擊式離子推力器。最終，2臺推力器在太空中運行狀態(tài)良好，分別工作了2011小時和3781小時，共進行300次開關循環(huán)。

美國近些年主要進行電磁式推力器的研究。電磁式推力器不需要像電熱式推力器那樣對推進劑進行加熱，結構設計也比靜電式推力器簡單很多，且可靠性更高，穩(wěn)定性好，可以用作大型航天器的輔助推進系統。目前，美國主要在研項目如下：

一是可變比沖磁等離子體火箭。

1973年，美國華裔富蘭克林（張福林）提出等離子體推力器的思想，他表示“等離子體推力器可以使用較少的推進劑，工作時間長，能夠有效地推動航天器在太空中飛行，可應用于長期在太空運行的衛(wèi)星上，進行衛(wèi)星姿態(tài)調整和軌道變化”。當時，他還是麻省理工學院的一名學生，隨后他進入美國宇航局成為航天員。2005年7月15日，富蘭克林離開了工作20多年的美國宇航局，前往剛成立半年的艾德·阿斯特拉公司任首席執(zhí)行官，并研制出了“可變比沖磁等離子體火箭”。該火箭是一種電磁式推力器，其工作原理為：使用無線電波轟擊推進劑，使其變成等離子體。隨后等離子體進入磁場，受洛倫茲力旋轉，并從尾部噴管排出，從而產生推力，推動航天器飛行。

2007年，由富蘭克林設計并研制的功率為100千瓦可變比沖磁等離子體火箭（VX-100）成功試車，2008年和2011年，艾德·阿斯特拉公司對功率為200千瓦可變比沖磁等離子體火箭（VX-200）進行了2次點火試車，測試了該推力器的性能。

從2005年6月開始，艾德·阿斯特拉公司與美國宇航局就“可變比沖磁等離子體火箭”研制項目開展合作，美國宇航局初步同意“可變比沖磁等離子體火箭”可以在國際空間站進行飛行測試。然而，在2015年，美國宇航局宣布終止讓“200千瓦可變比沖磁等離子體火箭”進入空間站的計劃，稱“國際空間站不是該等級電推力器理想的驗證平臺”。但是艾德·阿斯特拉火箭公司表示，“可變比沖磁等離子體火箭”經過未來的空間演示驗證后，仍有可能應用在國際空間站上。

二是三通道霍爾推力器。

2009年，密歇根大學、美國宇航局和美國空軍一同合作、設計并研制出一款大推力電推力器——三通道霍爾推力器，研制目的是在20年內應用于載人火星探測項目。與傳統的霍爾推力器相比，三通道霍爾推力器的輸出電流更強、功率更大，產生的推力也更強。2017年，美國密西根大學與美國宇航局在格倫研究中心對一臺三通道霍爾推力器進行測試驗證并取得成功。該項目負責人美國密歇根大學工程院院長加利莫爾表示，三通道霍爾推力器打破了霍爾推力器最大功率輸出、推力和工作電流紀錄。試驗表明，該推力器能以100千瓦以上的功率工作， 最大電流可達到260 安，產生推力5.4牛, 是等離子體推力器迄今達到的最高水平。

▲ 兩臺SPT-140推力器安裝在衛(wèi)星上

▲ SPT-140推力器

▲ 蘇聯/俄羅斯研制的SPT系列推力器

蘇聯/俄羅斯的“電推”系統研制

蘇聯/俄羅斯也很早就開始進行電推進系統的研制。1911年，蘇聯科學家齊奧爾科夫斯基就提出了“利用帶電粒子在太空中做功，產生推力，推動航天器飛行”的思想。1929-1931年，蘇聯在列寧格勒建立了專門研究電推力器的機構。1966年，蘇聯庫爾恰托夫原子能研究所的莫洛佐夫教授研制出了靜態(tài)等離子體推力器（SPT）并對其成功進行試車。此后，經法克爾設計局、莫斯科航空學院等單位不斷對靜態(tài)等離子體推力器進一步進行改進提升，先后研制出SPT-25、SPT-30、SPT-35、SPT-50/60等型號。

目前，俄羅斯仍繼續(xù)對靜態(tài)等離子體推力器（SPT）進行深入研究，研制出更多型號的電推力器，“SPT-140”推力器就是其最新研制的。相比起以前的靜態(tài)等離子體推力器，該型號推力器的推力更大，工作時間也更長。

▲ 200毫米離子推力器(LIPS-200)

▲ 200毫米離子推力器裝配現場

▲200毫米離子推力器(LIPS-200)進行地面測試

SPT-140推力器參數

中國“電推”發(fā)展歷程

中國開始研制電推力器的時間比美國和俄羅斯/蘇聯晚了很多。中國航天科技集團有限公司下屬的蘭州空間技術物理研究所是中國最早開始進行電推進系統研制的單位，從1974年開始進行相關研究。1986年，該所成功研制出了80毫米汞離子推力器并且成功通過測試，在當時達到了國際領先水平，并于1987年獲得了國家科技進步一等獎。隨后，在1988-1993年間，該所又研制出了90毫米氙離子推力器。但在此之后，由于各種因素制約，電推進系統的研制便停滯不前了。直到1997年，受美國電推進系統成功在太空中應用的影響，中國決定重啟電推進系統的研究，并給予相關資金和技術支持，研制得以繼續(xù)開展。

1999年至2004年，蘭州空間技術物理研究所研制了200毫米離子推進系統原理樣機，其主要性能達到國外同類產品水平。2004～2007年，又完成了該電推進系統工程樣機的研制，并通過環(huán)境條件鑒定試驗。經過漫長的研制、開發(fā)、測試階段，2012年10月14日，該所將成功研制的200毫米離子推進系統安裝在“實踐九號”A型衛(wèi)星上，發(fā)射升空并取得成功。該電推進系統在太空中運行良好，把衛(wèi)星軌道高度提升了324米。這是中國首次在衛(wèi)星上使用電推進系統，意味著中國成為了世界上為數不多可以成功應用電推進系統的國家，為中國航天推進技術開啟了一扇新的大門。這對中國電推進系統的研制來說，無疑是里程碑式的進步。

目前，蘭州空間技術物理研究所在200毫米離子推力器(LIPS-200)的基礎上進行升級改進，先后研制出200毫米離子推力器改進型（LIPS-200+）、300毫米離子推力器（LIPS-300）等型號的離子推力器。200毫米離子推力器改進型（LIPS-200+）是200毫米離子推力器（LIPS-200）的升級版,它沿用了200毫米離子推力器（LIPS-200）的整體結構設計, 通過調整電氣參數及磁場設計而實現高性能提升，在推力、比沖、燃效等方面都有了較大提高,屬于千瓦量級的離子推力器,可以推動質量更大航天器，實現大型航天器的位置保持、軌道變化，進行深空探測、小行星探測等項目。目前，經蘭州空間技術物理研究所證實，由該所研制的300毫米離子推力器（LIPS-300）將在2020年前實現證實飛行和應用，且將使用在全電推進系統航天器上。

與蘭州空間技術物理研究所一樣在電推進領域不斷開拓的還有中國航天科技集團有限公司所屬上?？臻g推進研究所。上世紀末，該所獲得電推進技術原理性突破，在國內率先開展了霍爾電推進技術研究，并實現霍爾推力器的穩(wěn)定工作。目前，該所已經形成完整的霍爾電推進技術研發(fā)體系。

中國進行電推進系統研制的科研單位有很多，除蘭州空間技術物理研究所、上海空間推進研究所外，還有北京控制工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學、北京航空航天大學等，但只有蘭州空間技術物理研究所和上?？臻g推進研究所屬于工程產品研制單位，其他單位只進行相關技術研究。

▲ 300毫米離子推力器（LIPS-300）

▲ 300毫米離子推力器（LIPS-300）內部結構圖

未來“電推”的發(fā)展趨勢

隨著商業(yè)航天、載人航天、深空探測項目的發(fā)展，各國逐漸轉向研制質量輕、體積小、效率高的電推進系統。

未來，航天發(fā)展必將對電推進系統提出更高的要求, 主要領域將涉及航天器（衛(wèi)星）的位置保持和軌道機動、近地小行星探測、中低軌道航天器軌道維持、載人火星探測、深空探測項目等。

電推進系統的研制將會向兩個方面發(fā)展，第一種為大功率、高比沖、長壽命的電推進系統。這類技術主要用于執(zhí)行載人火星探測項目、深空探測等遠距離任務。第二種為低功率、小推力、推力可調節(jié)并可以長時間連續(xù)工作的電推進系統。這類電推進系統主要執(zhí)行航天器（衛(wèi)星）的位置保持與姿態(tài)控制以及航天器組群飛行等任務。

雖然電推進系統具有比沖高、推力小、可以長時間做功等優(yōu)點，但并不是所有的航天任務都適合使用電推進系統。例如，需要快速響應的發(fā)射任務，用電推進系統就難以滿足。并且，由于電推進系統所產生的推力不足以克服地球引力，目前只能將該系統使用在航天器上或作為大型推進系統的輔助系統使用。未來，商業(yè)微/小衛(wèi)星市場、深空探測、載人航天等航天項目將持續(xù)大熱，電推進系統也會不斷的改進提高，并發(fā)揮其獨特的優(yōu)勢應用在更廣泛的航天任務中。