微納衛(wèi)星水分解推進系統(tǒng)研究進展

攸興杰，沈 巖,2,3*，耿金越，盧國權(quán)，劉旭輝，安思穎，南 柯

(1. 北京控制工程研究所，北京 100094； 2. 北京市高效能及綠色宇航工程技術(shù)研究中心，北京 100094; 3.空間智能控制技術(shù)國家級重點實驗室，北京 100094)

1 引言

20世紀80年代以來，微納衛(wèi)星技術(shù)朝著小型化、模塊化、高性能、高機動、快速研發(fā)的方向發(fā)展[1]。微納衛(wèi)星價格便宜，降低了衛(wèi)星應(yīng)用的門檻，應(yīng)用型微納衛(wèi)星的需求日益增大。與科學(xué)實驗型衛(wèi)星不同，應(yīng)用型微納衛(wèi)星必須具有推進系統(tǒng)，以獲得軌道機動能力，延長在軌壽命。

微納衛(wèi)星的質(zhì)量體積較小、功率有限，為了保證微納衛(wèi)星的平衡和控制精度，要求推進系統(tǒng)推力小而精確，重復(fù)性好，集成度高，質(zhì)量輕，功率小，可靠性好[2]；同時微納衛(wèi)星設(shè)計模塊化的發(fā)展要求微納衛(wèi)星的零部件設(shè)計要有較寬的推力范圍，較大的Δv的范圍，較長的工作時間，容易和其他的系統(tǒng)相組合[2]。

現(xiàn)有的單組元及冷氣推進系統(tǒng)的比沖較低；雙組元推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量較重，不容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成化；微電推進系統(tǒng)工作時需要有較大的瞬時電功率，而微納衛(wèi)星由于太陽能帆板面積較小，難以提供大的瞬時功率。傳統(tǒng)推進系統(tǒng)的種種缺陷限制了它們在微納衛(wèi)星上的應(yīng)用，必須根據(jù)需求設(shè)計新的推進系統(tǒng)。

水分解推進系統(tǒng)利用星上富余電能，通過電解裝置電解水產(chǎn)生氫氧氣體，在恰當?shù)臅r機將氫氧氣體引入發(fā)動機點燃產(chǎn)生推力[3]。典型的水分解推進系統(tǒng)如圖1所示，主要由水儲箱、電解池、氣體儲箱以及發(fā)動機構(gòu)成。水儲箱的作用為存儲水；電解池將水電解為氫氣和氧氣作為發(fā)動機的燃料；氣體儲箱將氫氣和氧氣積累和存儲，以保證發(fā)動機工作時有足夠的預(yù)充壓力；氫氣和氧氣在發(fā)動機燃燒室中燃燒，尾氣噴出產(chǎn)生推力。

圖1 典型的水分解推進系統(tǒng)Fig.1 Typical water electrolysis propulsion system

本文從水分解推進系統(tǒng)的概念出發(fā)，對水分解推進系統(tǒng)的優(yōu)勢和水分解推進系統(tǒng)的研究技術(shù)熱點進行調(diào)研，通過文獻調(diào)研和分析獲得國內(nèi)水分解推進系統(tǒng)的研究方向以及應(yīng)用前景。

2 特點及優(yōu)勢

水在常溫常壓下化學(xué)狀態(tài)穩(wěn)定，無毒無腐蝕性，徹底消除了衛(wèi)星發(fā)射過程微納衛(wèi)星對主載荷的潛在危害，也保證了裝配人員不會被有毒有害的推進劑毒害健康；還可以使衛(wèi)星實現(xiàn)預(yù)加注，減少了發(fā)射之前的工作量。氫氧氣體根據(jù)衛(wèi)星的應(yīng)用需求電解水產(chǎn)生，無需產(chǎn)生或攜帶高壓氣體，不需要減壓器，降低了系統(tǒng)的重量，避免高壓氣體帶來的安全性風險，同時降低推進系統(tǒng)的復(fù)雜度[4]，使得水分解推進系統(tǒng)方便集成化。綜上所述，水分解推進系統(tǒng)質(zhì)量低、安全性高，可以在實現(xiàn)了推進系統(tǒng)無毒化的同時簡化衛(wèi)星發(fā)射工序。除以上優(yōu)點之外，相對于其他類型的推進系統(tǒng)，水分解推進系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

1)水分解推進系統(tǒng)本質(zhì)為氫氧推進系統(tǒng)，比沖遠高于冷氣推進系統(tǒng)。冷氣推進系統(tǒng)的推進劑一般儲存在高壓氣瓶中；水在常溫常壓下呈現(xiàn)液態(tài)，不需要高壓儲存，大大降低了儲箱的質(zhì)量。水分解推進系統(tǒng)相對于冷氣推進系統(tǒng)可以大幅降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

2)水分解推進系統(tǒng)的推進劑在流入發(fā)動機的時候為氣態(tài)的氫氣和氧氣，化學(xué)發(fā)動機的推進劑一般為液態(tài)。流入發(fā)動機的流體的質(zhì)量是通過控制流體的體積實現(xiàn)的，氣體密度遠低于液體，因此水分解推進系統(tǒng)產(chǎn)生的沖量精度比常規(guī)化學(xué)發(fā)動機高很多。水分解推進系統(tǒng)的比沖也比單組元推進系統(tǒng)更高[5-6]。為了保證姿軌控精度，質(zhì)量輕的微納衛(wèi)星，對每次點火產(chǎn)生的沖量精度要求高。水分解推進系統(tǒng)特別適合對沖量精度要求高的應(yīng)用型微納衛(wèi)星的需求。

3)與電推進系統(tǒng)相比，水分解推進系統(tǒng)通過利用衛(wèi)星的富余能源產(chǎn)生燃料和氧化劑，不需要很大的瞬時功率，降低了對電功率的需求，衛(wèi)星可以配置更小的太陽能帆板，從而降低電源系統(tǒng)的質(zhì)量。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究進展

微納衛(wèi)星水分解推進系統(tǒng)的研究方向主要包括水分解推進系統(tǒng)氣液分離方案研究、供氣方案設(shè)計研究以及水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機方案研究。

3.1 氣液分離方案研究

水分解推進系統(tǒng)的應(yīng)用場合影響水分解推進系統(tǒng)的氣液分離方案。衛(wèi)星姿態(tài)的穩(wěn)定類型包括自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星和三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星。自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星由于衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生離心力而使密度不同的氣體和液體實現(xiàn)分離，三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星無法通過離心力實現(xiàn)氣液分離，一般通過靜態(tài)供水的方式實現(xiàn)氣液分離。

國際上較為典型的應(yīng)用于自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星的水分解推進方案包括康奈爾大學(xué)Zeledon以及亞利桑那大學(xué)Ramana Pothamsetti等設(shè)計的方案。Zeledon設(shè)計的水分解推進方案如圖2所示[7]。3U的立方星繞z軸轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力，密度大的水會因離心力，沉在距離旋轉(zhuǎn)軸較遠的底部，密度小的氣體會浮在距離旋轉(zhuǎn)軸較近的頂部，從而實現(xiàn)氣液分離。Zeledon在設(shè)計完原理樣機之后對其水分解推進系統(tǒng)進行了測試，實測比沖為50 s，單次脈沖產(chǎn)生的沖量約為0.1 Nm，與預(yù)期相差較多[8]，后未發(fā)現(xiàn)康奈爾大學(xué)更新報道。

圖2 康奈爾大學(xué)Zeledon自旋衛(wèi)星示意圖[7]Fig.2 Spin stabilization satellite designed by Zeledon[7]

亞利桑那大學(xué)Ramana Pothamsetti等設(shè)計的方案結(jié)構(gòu)如圖3所示[9]。該方案應(yīng)用于雙自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星，衛(wèi)星的下部分通過自旋實現(xiàn)氣液分離，上部分通過消旋軸實現(xiàn)電子艙和載荷艙消旋，從而保證電子和載荷艙空間姿態(tài)穩(wěn)定。Ramana Pothamsetti設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)研究成熟度亦較低，僅僅進行了少量的電解水研究，其他未見深入研究。

圖3 雙自旋衛(wèi)星推進系統(tǒng)方案[9]Fig.3 Scheme of the propulsion system in dual-spin stabilization satellite[9]

應(yīng)用于三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)方案較為典型的包括Tethers公司設(shè)計的HYDROS[5]以及德國斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[6]。三軸穩(wěn)定型的水分解推進系統(tǒng)一般通過靜態(tài)供水的方式給PEM電解器供水，從而實現(xiàn)氣液分離，電解產(chǎn)生的氣體為干燥的氫氣和氧氣。靜態(tài)供水的原理在PapaleWilliam等的綜述性文獻中已經(jīng)有了較為詳細的介紹[10]，這里不再贅述。三軸穩(wěn)定型衛(wèi)星市場需求大，針對其需求的水分解推進系統(tǒng)成熟度較高。2013年，Tethers公司HYDROS工程樣機的研制，初步測試表明HYDROS可以產(chǎn)生300～600 mN的推力[11]，比沖約為258 s[12]；2016年美國Air Force Institute of Technology對HYDROS的噴管進行了改進，在初始壓力為300 kPa時，HYDROS推力600 mN左右，比沖約為335 s，與理論值接近[13]。依據(jù)Air Force Institute of Technology的研究成果，2017年，Tethers公司對HYDROS樣機進行了升級和拓展，其最新產(chǎn)品推力達到1.4 N，每個推力脈沖可以產(chǎn)生的沖量為7.16 Ns，比沖為310 s，并將產(chǎn)品線分化為應(yīng)用于小衛(wèi)星的HYDROS-M和應(yīng)用于立方星的HYDROS-C，成熟度達到TRL-6級[14]。德國斯圖加特大學(xué)Nicholas-E. Harmanas等人在空中客車公司的支持下，研制成功如圖4所示的1 N水分解推進系統(tǒng)樣機比沖超過350 s，推力約為0.5 N[6]。

圖4 斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[6]Fig.4 Water electrolysis propulsion system designed in University of Stuttgart[6]

通過衛(wèi)星自旋實現(xiàn)氣液分離的方案僅適用于自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星以及雙自旋穩(wěn)定型衛(wèi)星；通過靜態(tài)供水方案實現(xiàn)氣液分離的方案適用于各種穩(wěn)定類型的衛(wèi)星。通過自旋實現(xiàn)氣液分離的水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通過靜態(tài)供水實現(xiàn)氣液分離的水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在選擇供水方式時，應(yīng)當根據(jù)自身應(yīng)用需求去選擇。

3.2 發(fā)動機供氣設(shè)計

根據(jù)氣體存儲方式的不同可分為將氫氧氣體分別存儲和將氫氧氣體預(yù)混存儲兩種供氣類型。將氫氧氣體分開存儲有利于提高系統(tǒng)整體的安全性；將氫氣氧氣混合存儲，可以降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高燃燒效率。

較為典型的氫氧氣體混合存儲的供氣方案為康奈爾大學(xué)Zeledon設(shè)計的，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示[8]。氫氧混合氣體與水存儲在同一個儲箱里，并且通過單向閥1來避免回火。當水儲箱中的壓力達到指定壓力并且有推進需求的時候，電磁閥打開，同時經(jīng)過精心設(shè)計的單向閥1會自動打開，水儲箱中的氣體進入燃燒室。當燃燒室中的壓力達到設(shè)定值時，電磁閥關(guān)閉，單向閥1隨之關(guān)閉。兩閥關(guān)閉后點火器點火，單向閥2被高壓氣體沖開，高溫氣體通過噴管噴出產(chǎn)生推力。

圖5 Zeledon提出的水分解推進方案圖[8]Fig.5 Water electrolysis propulsion system designed by Dr. Zeledon[8]

典型的氫氧氣體分開存儲的水分解推進系統(tǒng)包括如圖6所示的Tethers公司的HYDROS[14]、如圖7所示的斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[6]以及如圖8所示的亞利桑那大學(xué)Ramana Pothamsetti設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)[9]。由于氫氣和氧氣分開存儲，因此不需要考慮回火問題，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度但是提高了系統(tǒng)的安全性。氫氧氣體分別存儲，可以實現(xiàn)持續(xù)供氣，氫氧分別存儲的水分解推進系統(tǒng)可以工作較長的時間，提供一段較為持續(xù)的推力。

圖6 HYDROS的系統(tǒng)圖[14]Fig.6 Schematic diagram of HYDROS[14]

圖7 斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)流體流向簡圖[6]Fig.7 Fluid flow diagram of water elsetrolysis propulsion system designed in University of Stuttgart[6]

圖8 亞利桑那大學(xué)水分解推進系統(tǒng)[9]Fig.8 Water electrolysis propulsion system designed in University of Arizona[9]

設(shè)計微納衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)時，應(yīng)當根據(jù)微納衛(wèi)星的質(zhì)量以及其對沖量的要求，將氫氧氣體混合存儲或者將氫氧混合氣體分開存儲。如果微納衛(wèi)星體積很小，則將氫氧氣體混合存儲。如果微納衛(wèi)星較大，并且衛(wèi)星有持續(xù)推力的需求，則將氫氧氣體分開存儲，這樣不僅可以提供持續(xù)的推力，而且可以提高系統(tǒng)的安全性。

3.3 發(fā)動機設(shè)計

應(yīng)用于微納衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)燃燒室體積小，燃燒的尺度效應(yīng)將導(dǎo)致氫氧氣體在小尺度的燃燒室內(nèi)較難點燃和充分燃燒[15]；氫氧氣體燃燒時溫度在3000 K以上，設(shè)計發(fā)動機時，需要充分考慮發(fā)動機的耐熱性能。在設(shè)計水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機時，不僅需要研究如何可靠點燃及保證充分燃燒，也要通過選擇耐熱材料和熱設(shè)計保護燃燒室以及噴管，避免高溫燒蝕。

發(fā)動機燃燒室點火的方式包括催化點火和電弧點火兩種類型。HYDROS、康奈爾大學(xué)以及亞利桑那大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)通過電弧實現(xiàn)點火[5, 8-9]，斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)通過催化分解的方式點火[6]。催化點火的催化劑一般為貴金屬，價格高，不適合微納衛(wèi)星的應(yīng)用；電弧點火方案需要設(shè)計耐氫氧燃燒高溫的點火電極，同時還需要進行電磁兼容設(shè)計以保證脈沖高壓電不會對星上電路造成傷害。

水分解推進系統(tǒng)燃燒室尺度小，氫氧氣體，尤其是非預(yù)混的氫氧氣體難以在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定燃燒，實踐中一般通過加長燃燒室長度[16]、對氫氧氣體進行預(yù)熱[17]、設(shè)計特殊結(jié)構(gòu)的燃燒室[18]、設(shè)計特殊形狀的催化劑[19]、選用導(dǎo)熱性能差的燃燒室材料[20]以及在燃燒室內(nèi)加入鈍體[21]等方法來使微尺度燃燒穩(wěn)定。水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機受設(shè)計復(fù)雜度的限制，只能選擇較為簡易的方案進行燃燒穩(wěn)定性設(shè)計。斯圖加特大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，燃燒室長度從5 mm加長到13.5 mm，氫氧氣體在燃燒室內(nèi)燃燒更加充分，平衡推力可從0.45 N增大到0.65 N[6]。通過設(shè)計特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的燃燒室,氫氧氣體燃燒更加充分[22]。

為了避免發(fā)動機被燒蝕，在發(fā)動機設(shè)計的時候一般采用高溫合金[23]。由于燃燒時火焰溫度較高，高達3200 K[22]，現(xiàn)有的材料不能承受如此高的溫度，必須通過熱設(shè)計來對發(fā)動機進行冷卻。斯圖加特大學(xué)的研制人員在研制發(fā)動機的時候通過氫氣和氧氣在不同的位置噴注實現(xiàn)熱隔離[6]。如圖9所示，氧氣從燃燒室頂部的中部噴入，氫氣從燃燒室頂部的四周噴入。燃燒室壁附近由于氫氣的保護而溫度較低，其仿真圖如圖10所示。由圖可見氫氧燃燒溫度很高，而燃燒室壁的溫度僅有幾百度，從而保證了燃燒室結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定型。

圖9 斯圖加特大學(xué)設(shè)計的水分解推進系統(tǒng)發(fā)動機剖面圖[6]Fig.9 The water electrolysis propulsion system engine profile designed in the university of Stuttgart[6]

圖10 斯圖加特大學(xué)發(fā)動機燃燒室熱仿真[6]Fig.10 Thermal simulation of the engine chamber in the university of Stuttgart[6]

4 應(yīng)用展望

國外應(yīng)用于維納衛(wèi)星的水分解推進系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了模塊化，基本具備飛行條件[14]。國內(nèi)對水分解推進系統(tǒng)的研究也取得了一定的成果。天津大學(xué)、大連化學(xué)物理研究所已經(jīng)完成PEM微型電解池的研制[24-25]，北京控制工程研究所已經(jīng)研制成功微型閥門等水分解推進系統(tǒng)流體控制產(chǎn)品[26]，正在進行發(fā)動機以及系統(tǒng)集成的研究。水分解推進系統(tǒng)的優(yōu)勢使得它在空間應(yīng)用中特別具有應(yīng)用前景，本文將從星際航行、空間站、應(yīng)用衛(wèi)星以及伴飛衛(wèi)星等角度對水分解推進系統(tǒng)的應(yīng)用前景進行分析。

4.1 星際航行和太空采礦

實現(xiàn)星際航行和太空采礦必須攜帶足夠的推進劑以實現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移。充分利用星際資源為自身所用，可以少攜帶推進劑。星際存在大量的水，水分解推進系統(tǒng)可以充分利用星際的水作為推進系統(tǒng)的推進劑。美國普渡大學(xué)研制了水加熱推進系統(tǒng)，可能實現(xiàn)星際航行過程中補充推進劑[27]，水分解推進系統(tǒng)也可以利用太空的水資源為星際航行補充推進劑。美國星際采礦公司Deep Space Industries公司研制成果COMET水電熱推進系統(tǒng)未來將用于通過利用星際的水作為推進劑提供推力將星體轉(zhuǎn)移到地球[28]。水分解推進系統(tǒng)也可以實現(xiàn)采用星際的原位水資源，特別適合星際航行和空間采礦使用。

4.2 空間站推進

載人空間站和載人飛船飛行的時候會攜帶水作為人員的生活物資，采用水作為載人空間站、載人飛船的推進劑，可以簡化載人航天的物資供應(yīng)鏈，降低載人航天的成本。日本的YuichiroNogawa等一直在進行水電弧發(fā)動機的研制[29]，水分解推進系統(tǒng)也可以采用水作為推進劑，是利用空間站的水的另外一種推進方案。采用水分解推進系統(tǒng)的比沖比常用化學(xué)發(fā)動機的比沖更高[30]。推進劑無毒無腐蝕性，有利于提高空間站的推進性能和安全性。

4.3 應(yīng)用衛(wèi)星

水分解推進系統(tǒng)采用無毒無腐蝕性的水作為推進劑，比沖高，結(jié)構(gòu)簡單，適合應(yīng)用衛(wèi)星使用。美國星際采礦公司Deep Space Industries公司研制的COMET水電熱推進系統(tǒng)已經(jīng)獲得一系列商業(yè)合作合同，證明了以水作為推進劑的推進系統(tǒng)有較好的應(yīng)用前景[31-32]。美國Pathfinder Technology Demonstrator項目也選用了美國Tethers公司的HYDROS水分解推進系統(tǒng)作為其推進系統(tǒng)[33]。國內(nèi)林震等也論證過水分解推進系統(tǒng)相對于現(xiàn)有的推進系統(tǒng)更加適合高軌衛(wèi)星使用[4]。水分解推進系統(tǒng)在應(yīng)用衛(wèi)星領(lǐng)域特別有使用前景。

4.4 太空垃圾清理和預(yù)警

隨著航天的發(fā)展，太空垃圾逐漸增多，為了躲避太空垃圾，大型衛(wèi)星需要軌道機動，消耗大量的推進劑[34]。水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，比沖高，推力可以精確控制，依靠水分解推進系統(tǒng)的衛(wèi)星可實現(xiàn)與大型衛(wèi)星伴飛，以實現(xiàn)對太空垃圾的預(yù)警，與太空垃圾交會對接和將太空垃圾推離主衛(wèi)星的軌道，從而減少大型衛(wèi)星的變軌次數(shù)，提高大型衛(wèi)星的效能[35]。

5 結(jié)論

1)水分解推進系統(tǒng)的比沖可達到310 s，遠高于冷氣推進系統(tǒng)。

2)水分解推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不包含高壓器件以及機械閥門，有利于實現(xiàn)集成化。

3)水分解推進系統(tǒng)在星際旅行、空間采礦、載人航天、衛(wèi)星應(yīng)用以及伴飛衛(wèi)星等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。