深空探測推進技術發(fā)展趨勢

李永，丁鳳林，周成

（北京控制工程研究所，北京 100094）

0 引 言

深空探測是航天器重要的應用領域，推進技術是制約航天器深空探測能力的重要因素。深空探測任務牽引了多種推進技術的發(fā)展，推進技術的進步也為深空探測任務的拓展提供了更多選擇。

由于深空探測在對象選擇、探測方式等方面都存在多樣性，使其對推進系統(tǒng)的要求也呈現(xiàn)出多樣化。從探測對象來看，在太陽系以內(nèi)，探測范圍包括各類行星、衛(wèi)星、彗星等所有物質(zhì)和現(xiàn)象，在太陽系以外，更是存在廣袤的宇宙空間。從探測方式來看，常見的方式包括環(huán)繞巡查、穿越探測、制動著陸、采樣返回等，不同的探測方式對航天器的需求以及對推進系統(tǒng)的需求有很大差異。

盡管深空探測任務存在多樣性，但對這些任務進行總結，可以提煉出該類任務對航天器推進系統(tǒng)的共性需求。

首先，要求推進系統(tǒng)具有較高的比沖。深空探測任務需要擺脫各類星體的引力，這就要求探測器具備較高的速度增量，而這個速度增量獲得的渠道有兩個：一是由行星間的借力飛行提供，另一個是由航天器自帶的推進系統(tǒng)提供。前者需要滿足諸多約束條件，且往往以更多的時間花費為代價；后者則要求推進系統(tǒng)具備較高的總沖，在發(fā)射重量受限、推進劑攜帶量受制約的情況下，總沖的提高只能依靠較高的比沖來實現(xiàn)。

其次，要求推進系統(tǒng)能夠提供合適的推力。對于需要快速軌道調(diào)整、快速制動、在探測對象上受控著陸、或者需要進行采樣后起飛返回等類型的任務，均需要航天器能夠提供足夠大的推力，來滿足上述探測任務需求，具體所需的推力大小，根據(jù)任務特點和引力情況來確定。

再次，要求推進系統(tǒng)對能源具有一定的適應能力。很多深空探測任務在整個探測周期中，航天器與太陽的距離會發(fā)生較大變化，對于依靠外界能源的推進系統(tǒng)，尤其是太陽能電推進系統(tǒng)，必須要具備適應能源變化的能力，使發(fā)動機能夠在不同的功率范圍內(nèi)都能夠正常工作。

為了滿足上述需求，深空探測類航天器推進系統(tǒng)往往是由多種類型組合而成的，在不同的工作階段，采用不同的推進技術，使其能夠發(fā)揮最大的優(yōu)勢。下面對幾種典型的深空探測航天器推進系統(tǒng)的應用情況和研究進展進行介紹。

1 混合模式推進系統(tǒng)在深空探測的應用

混合模式推進系統(tǒng)是指由不同的推進形式組合而成的推進系統(tǒng)，它是深空探測任務中應用最為廣泛的推進類型?；旌夏Ｊ酵七M系統(tǒng)通常由雙組元化學推進、單組元化學推進、電推進中的兩種或三種組合而成，它能夠在不同的任務階段，采用不同類型的推進系統(tǒng)工作，充分發(fā)揮各類系統(tǒng)的優(yōu)勢。

1.1 單雙元混合推進系統(tǒng)

單雙元混合推進系統(tǒng)是深空探測領域里應用較為廣泛的推進類型，它能夠利用單組元可靠性高，雙組元推力大、比沖相對較高的優(yōu)勢，在探測器不同工作階段分別發(fā)揮作用。

“卡西尼號”（Cassini）是由美國國家航空航天局（NASA）、歐洲空間局（ESA）和意大利空間局（ASI）聯(lián)合研制的木星探測器[1]，于1997年10月發(fā)射升空，2004年7月進入木星軌道。該探測器旨在對木星及其光環(huán)、衛(wèi)星和磁場進行探測。該探測器發(fā)射重量為5.712 t，攜帶化學推進劑2.978 t，采用了兩套獨立的推進系統(tǒng)，一套是雙組元軌控推進系統(tǒng)，推進劑為甲基肼（MMH）和四氧化二氮（NTO），包括兩臺445 N推力器（1主1備）；另一套是單組元姿控推進系統(tǒng)，推進劑為無水肼（N2H4），包括8臺1 N推力器（4主4備），圖1所示為該系統(tǒng)的結構圖。

圖1 “卡西尼號”探測器推進系統(tǒng)Fig.1 Propulsion system of Cassini

采用該類型推進系統(tǒng)與此次探測任務的特點密切相關。在任務前期，按照軌道策略，采用行星借力的方式脫離地球引力，探測器在軌飛行約7年后到達木星，通過快速減速制動方式進入環(huán)木星軌道。按照這種飛行策略，前期僅需采用單組元推進系統(tǒng)進行姿態(tài)調(diào)整和軌道修正；到達木星后，再采用雙組元系統(tǒng)，通過主發(fā)動機點火實現(xiàn)快速制動工作。若采用純雙組元系統(tǒng)，需要在系統(tǒng)接通7年后才使用軌控發(fā)動機點火制動，與傳統(tǒng)的雙組元系統(tǒng)入軌后即接通并馬上進行軌控發(fā)動機點火的模式有很大變化，可能會給航天器帶來額外的風險。而前期采用落壓式單組元系統(tǒng)工作，后期在需要時才接通雙組元系統(tǒng)的工作模式會穩(wěn)妥得多。既充分發(fā)揮了單組元高可靠，雙組元推力大、性能較高的優(yōu)勢，又降低了雙組元系統(tǒng)接通后長期待機再啟動的風險。

“朱諾號”（Juno）是由美國洛馬公司研制的木星探測器，于2011年8月5日發(fā)射。該探測器在木星上空5 000 km軌道運行，探測木星是否存在水和固體內(nèi)核，并研究其內(nèi)部構造、大氣、極光和磁場。該探測器發(fā)射重量為3.65 t，所采用的推進系統(tǒng)是典型的由雙組元和單組元組成的混合推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)的供給部分是一體的，整套系統(tǒng)配備兩臺635 N的雙組元發(fā)動機和12臺12 N的單組元發(fā)動機[2]。探測器在軌飛行5年后，到達木星，通過減速制動進入環(huán)木星軌道，約有80%的推進劑在制動階段消耗。該混合模式推進系統(tǒng)充分繼承了洛馬公司的優(yōu)秀傳統(tǒng)，推進劑采用NTO和N2H4，能夠兼顧雙組元和單組元的需求，且作為雙組元使用時，軌控發(fā)動機性能優(yōu)于采用NTO和MMH體系的發(fā)動機性能。該系統(tǒng)同樣是在前期采用單組元系統(tǒng)進行姿態(tài)調(diào)整和軌道修正，到達木星軌道后，再采用雙組元系統(tǒng)進行減速制動，圖2所示為“朱諾號”探測器示意圖。

圖2 “朱諾號”探測器示意圖Fig.2 View of Juno mission

1.2 電化混合推進系統(tǒng)

在深空探測航天器中，對電推進和化學推進組合的混合推進系統(tǒng)的應用非常廣泛，電推進以其高比沖的優(yōu)勢，在重量受限的情況下，能夠提供較高的總沖，而化學推進可以通過多個推力器的合理組合實現(xiàn)姿態(tài)控制，并利用其推力大的優(yōu)勢實現(xiàn)快速軌道捕獲、制動、著陸和起飛。

“智慧1號”（Smart-1）是ESA地平線2000科學計劃項目，它于2003年9月27日發(fā)射，是歐洲第一個月球探測器，發(fā)射重量380 kg，采用了電化混合推進系統(tǒng)，即單組元推進系統(tǒng)和霍爾電推進系統(tǒng)[3]。其中，單組元推進系統(tǒng)采用了8臺1 N推力器，為航天器提供姿態(tài)控制；霍爾電推進為主推進，用于緩慢變軌，實現(xiàn)環(huán)月探測，并最終實現(xiàn)了月面撞擊。圖3所示為“智慧1號”探測器示意圖。

圖3 “智慧1號”探測器示意圖Fig.3 View of Smart-1 mission

“隼鳥號”（Hayabusa）是日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的近地小行星探測器，它于2003年5月9日發(fā)射，發(fā)射重量為510 kg，采用了電化混合推進系統(tǒng)，其中，化學推進系統(tǒng)為雙組元推進系統(tǒng)，采用了12臺20 N雙組元發(fā)動機，電推進系統(tǒng)采用了微波離子發(fā)動機[4]。在進行小行星制動著陸和采樣返回時，使用推力較大的雙組元系統(tǒng)工作，在長期飛行過程中，采用電推進工作以節(jié)約推進劑。圖4所示為“隼鳥號”探測器實物圖。

“黎明號”（Dawn）是美國發(fā)射的小行星探測器，用于開展灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）的探測，它于2007年9月27日發(fā)射，發(fā)射重量為1 218 kg，采用了電化混合推進系統(tǒng)，其中化學推進系統(tǒng)為單組元推進系統(tǒng)，共有12臺0.9 N單組元推力器，為探測器提供姿態(tài)控制；電推進系統(tǒng)采用了3臺離子發(fā)動機，作為主動力[5]。圖5所示為“黎明號”探測器推進系統(tǒng)布局圖。

1.3 小 結

混合模式推進系統(tǒng)兼顧了雙組元大推力、單組元高可靠、電推進高比沖的優(yōu)勢，在深空探測領域中被廣泛采用。在星際間變軌、制動、著陸、起飛時采用雙組元推進系統(tǒng)提供大推力，在姿控時靠單組元提供精確沖量和小推力；星際間長期飛行時靠電推進提供高比沖。

圖4 “隼鳥號”探測器實物圖Fig.4 Hayabusa craft

圖5 “黎明號”探測器推進系統(tǒng)布局圖Fig.5 Propulsion system of Dawn

2 太陽能電推進系統(tǒng)在深空探測的應用

電推進是利用電能加熱、電離和加速推進劑形成高速射流而產(chǎn)生推力的推進技術，其比沖一般比化學推進高1個數(shù)量級。由于其具有比沖高的獨特優(yōu)勢，采用有限的推進劑即可獲得較高的總沖，故而在深空探測任務中，得到了廣泛應用。目前應用的電推進系統(tǒng)，通常都是由太陽能提供能源，隨著探測距離的變化，太陽能所能提供的能源大小也在不斷變化，這就要求這類電推進系統(tǒng)應具備適應能源變化的能力。

2.1 應用情況介紹

前面在電化混合推進系統(tǒng)介紹中，簡要提到了幾種電推進系統(tǒng)在深空探測應用的例子，在此針對電推進部分進一步做詳細介紹。

“智慧1號”使用的電推進系統(tǒng)是霍爾電推進系統(tǒng)，由法國Snecma公司研制，采用了一臺PPS-1350霍爾電推力器，為探測器提供軌道轉(zhuǎn)移服務。單臺電推力器的工作功率為0.4～3 kW，推力范圍為38～160 mN，比沖范圍為1 600～2 900 s。圖6所示為“智慧1號”所使用的霍爾電推力器。

圖6 “智慧1號”使用的霍爾電推力器Fig.6 Hall engine of Smart-1

“黎明號”探測器采用的電推進系統(tǒng)是離子電推進系統(tǒng)，由美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研制，采用3臺30 cm直徑離子推力器進行軌道轉(zhuǎn)移，單臺功率范圍為0.4～2.3 kW，推力范圍為19～92 mN，比沖范圍為1 814～3 127 s。圖7所示為“黎明號”所使用的離子電推力器。

圖7 “黎明號”使用的離子電推力器Fig.7 Ion engine of Dawn

“隼鳥號”探測器采用的電推進系統(tǒng)是微波離子電推進系統(tǒng)，由JAXA和日本電氣公司（NEC）公司共同研制，該系統(tǒng)采用4臺微波離子推力器，單臺額定推力為8 mN，比沖為3 200 s，功率為350 W，工作模式分為4檔：100%、90%、80%、65%，可以適應太陽能功率變化的情況。圖8所示為“隼鳥號”所使用的微波離子推力器。

圖8 “隼鳥號”使用的微波離子推力器Fig.8 Microwave discharge ion engine of Hayabusa

“深空探測1號”（Deep-space1）是美國研制的深空探測器，其主要任務是對包括電推進技術在內(nèi)的多項新技術進行驗證，除此之外再開展科學探測任務。該探測器于1998年10月24日發(fā)射，采用可變功率的離子推進系統(tǒng)作為主推進，離子推力器具有16級調(diào)節(jié)能力，功率范圍為0.5～2.3 kW，推力范圍為20～92 mN，比沖范圍為1 900～3 100 s。圖9所示為“深空探測1號”所使用的離子推力器[6]。

圖9 “深空探測1號”使用的離子推力器Fig.9 Ion engine of Deep space-1

2.2 小 結

電推進由于具有高比沖的突出優(yōu)勢，能極大地降低航天器燃料消耗，提高載荷的攜帶量，適合承擔深空探測主推進任務。目前深空探測應用的電推進主要依靠太陽能提供能源，離子和霍爾電推進技術應用最為廣泛，適應于不同的任務需求，各有優(yōu)勢。由于深空探測的特殊需求，太陽能電推進應能夠適應太陽帆板輸出功率變化的特點，能夠在不同功率下可靠工作。

3 空間核電推進技術在深空探測的研究進展

空間核電推進技術是將空間核電源產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)換為電能，為大功率電推進提供能源，為航天器提供高比沖、大推力的動力，能夠使航天器擺脫對太陽能的依賴，可產(chǎn)生高于太陽能電推進幾個數(shù)量級的推力[7]?？臻g核電推進技術在遠距離深空探測領域具有廣泛的應用前景，目前主要航天強國均在大力開展該技術的研究工作。

3.1 空間核電推進系統(tǒng)方案研究進展

2003年，NASA開展了“普羅米修斯”研究計劃，該計劃由JPL負責，40余家美國研究機構參與，計劃研制200 kWe級空間核電推進系統(tǒng)并首先用于“木星冰覆衛(wèi)星軌道飛行器”（JIMO）探測任務。該項目已經(jīng)完成了空間核電源初步設計和部分材料研發(fā)與試驗，大功率電推力器已經(jīng)完成原理樣機的研制。圖10所示為“木星冰覆衛(wèi)星軌道飛行器”構想圖。

圖10 “木星冰覆衛(wèi)星軌道飛行器”構想圖Fig.10 Diagrammatic sketch of JIMO

2009年俄羅斯總統(tǒng)正式批準研發(fā)MWe級核電推進系統(tǒng)的航天器，其中核電推進系統(tǒng)由科爾德什研究中心和尼凱葉特研究院聯(lián)合設計，使用1個3.5 MWt熱功率的核反應堆，產(chǎn)生約1 MWe電功率；使用10～20個（含備份）電磁推力器，單臺的功率為50 kWe、推力約為0.8 N、比沖7 000 s。圖11所示為俄羅斯的核電推進航天器構想圖。

2015年EAS為實施其龐大的深空探測計劃，提出了DiPoP（顛覆性空間動力與推進技術）項目和MEGAHIT（兆瓦級高效空間動力系統(tǒng)）計劃。DiPoP項目重點對30 kWe星表前哨站電源系統(tǒng)和200 kWe核電推進系統(tǒng)進行研究。MEGAHIT計劃主要用于確定兆瓦級核電推進系統(tǒng)的技術路線圖。

3.2 空間核電推進核心單機研究進展

空間核電推進系統(tǒng)主要由五大子系統(tǒng)構成：空間核反應堆子系統(tǒng)、熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)、大功率空間熱排放子系統(tǒng)、電源管理與分配子系統(tǒng)和大功率電推進子系統(tǒng)，其中空間核反應堆子系統(tǒng)和大功率電推進子系統(tǒng)最為關鍵。

在空間核反應堆方面，美國先后實施了“SNAP計劃”“SP-l100計劃”“熱離子驗證計劃”“普羅米修斯計劃”和“星球表面基地裂變電源”等多個研發(fā)計劃，形成了雄厚的技術儲備。俄羅斯（含前蘇聯(lián)）開發(fā)了Romashka、BUK、Topaz-Ⅰ、Topaz-Ⅱ和兆瓦級核反應堆等電源型號，共向太空發(fā)射了37顆空間核反應堆電源[8]。表1所示為國外空間核反應堆電源研發(fā)情況列表。

在大功率電推進技術方面，存在多種技術路線，包括大功率離子、大功率霍爾、磁等離子體推力器（MPDT）、可變比沖磁等離子體推力器（VASIMR），目前來看，霍爾、離子推力器受工作原理的限制，其功率很難突破100 kW。當推力器功率大于100 kW時，國外的選擇主要有MPDT和VASIMR兩種類型，而VASIMR的技術成熟度相對較低。目前，美國、歐洲以及俄羅斯主要選擇MPDT作為未來空間大功率電推進的主推力器。2015年NASA發(fā)布的空間推進技術發(fā)展路線圖中，對未來20年內(nèi)各類空間推進技術的發(fā)展情況進行了預測，其中關于大功率電推進技術的預測結果如表2所示。

圖11 俄羅斯的核電推進航天器構想圖Fig.11 Diagrammatic sketch of NEP craft in Russian

表1 國外空間核反應堆電源研發(fā)情況Table 1 List of space nuclear reactors

表2 大功率電推進技術發(fā)展預測Table 2 Development perspectives of high power electric propulsion

3.3 小 結

空間核電推進由于具有大功率、高比沖、大推力的優(yōu)勢，是人類開展遠距離大規(guī)模深空探測任務的最佳選擇，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽系內(nèi)天體的快速探測，也適合未來系外天體探測。

以美俄為代表的航天強國已經(jīng)開展空間核電推進研究30余年，在核電推進系統(tǒng)設計、空間核反應堆和大功率電推進等關鍵子系統(tǒng)方面均開展了實質(zhì)性研究工作，并提出了未來發(fā)展規(guī)劃。

4 帆類推進技術在深空探測的應用

空間帆推進是利用太陽光或太陽風攜帶的能量，通過與航天器的動量交換獲得推力的推進技術。按照技術分類，可以分為太陽帆、電帆、磁帆等類型。帆類推進技術能夠提供非常微小的推力，適用于推力要求低的特種深空探測任務。

4.1 太陽帆的應用

太陽帆是使用巨大的薄膜材料，將太陽光以及太陽射出的高速氣體粒子的輻射壓通過動量轉(zhuǎn)換的方式產(chǎn)生推力。目前日本和美國均成功發(fā)射了太陽帆探測器。

“伊卡洛斯號”（Ikaros）是由JAXA研制的太陽帆探測器，于2010年5月21日發(fā)射，是世界上首個用于深空探測的太陽帆航天器，用于開展金星探測。太陽帆為邊長14 m的正方形，厚度僅為7.5 μm，由能夠承受太空環(huán)境的聚酰亞胺制成，重量約15 kg。帆面邊緣貼了液晶元件，用于改變光壓分布，產(chǎn)生控制力矩[9]。該探測器的展開效果圖如圖12所示。

圖12 “伊卡洛斯號”太陽帆展開效果圖Fig.12 View of Ikaros mission

“納米帆-D”是由美國NASA研制的太陽帆航天器，于2010年11月19日發(fā)射，是首個進入地球近地軌道飛行的太陽帆航天器?！凹{米帆”衛(wèi)星是一顆小立方星，搭載在FASTSAT衛(wèi)星上發(fā)射，展開后的太陽帆面積為9.29 m2[10]。該探測器的展開效果圖如圖13所示。

圖13 “納米帆-D”太陽帆展開效果圖Fig.13 View of Nano Sail-D mission

4.2 電帆的應用

電帆是2004年芬蘭科學家Pekka Janhunen提出的。電帆利用空間帶正電導線的電場，使太陽風中的質(zhì)子在電場發(fā)生偏轉(zhuǎn)，通過動量交換的方式使航天器獲得推力。由于電帆沒有固定帆面，其質(zhì)量比太陽帆又有大幅降低，特別適合深空探測任務。電帆推進系統(tǒng)由展開機構、導線、電源調(diào)節(jié)模塊和電子槍4部分組成[11]。

ESTCube-1衛(wèi)星是由愛沙尼亞研制的電帆試驗立方星，2013年5月發(fā)射，運行軌道為600～800 km軌道，目的是測試地球低軌道下通過地球電離層的電帆效應。電帆長度為10 m，通過自旋展開，自旋周期為20 s，電子槍電壓為500 V。圖14為該探測器的效果圖。

圖14 ESTCube-1衛(wèi)星效果圖Fig.14 View of ESTCube-1 mission

4.3 磁帆的研究進展

磁帆由Andrews和Zubrin于1988年首次提出。磁帆是利用太陽輻射出的帶電粒子在固定磁場中偏轉(zhuǎn)，而將部分動量傳遞給航天器以獲得加速度的一種推進技術[12-13]。磁帆需要使用超導材料產(chǎn)生巨大的磁場，所需超導線圈的直徑極大，重量成本很高，工程應用難度大，國外的研究也只是停留在理論研究階段，技術成熟度僅為2級。

4.4 小 結

空間帆類推進技術是深空探測領域一種新型的推進技術，它自身無需攜帶推進劑，僅依靠太陽光壓或太陽風就可以獲取動能，可以得到較高的速度增量，適用于執(zhí)行特種深空探測任務。

5 總 結

對國外深空探測推進技術的應用和研究進展進行總結，可以對我國深空探測推進技術的發(fā)展和應用提供參考，具體如下：

1）深空探測由于任務的多樣性，牽引了多種推進技術的發(fā)展，其中混合推進、太陽能電推進、核電推進及帆類推進具有廣泛的應用前景。

2）混合模式推進適用于具有快速軌道轉(zhuǎn)移、快速制動、著陸和采樣返回類型的探測任務需求，是應用較多的推進類型。

3）太陽能電推進能夠用較少的推進劑產(chǎn)生較大的速度增量，但由于推力較小，需長時間持續(xù)加速，適用于任務周期較長的深空探測任務，且需要具備適應能源變化的能力。

4）空間核電推進具有比沖高、推力大、能源不受限制的優(yōu)點，適用于大規(guī)模深空探測任務，是未來需要重點發(fā)展的推進技術。

5）帆類推進技術屬于特種推進類型，自身無需攜帶工質(zhì)，為深空探測任務提供了更多的方案選擇，可以承擔一些獨特的深空探測任務。