我國(guó)空間推進(jìn)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展

朱智春，林慶國(guó)，杭觀榮，姚天亮，劉昌國(guó)

（1.上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112；2.上海空間發(fā)動(dòng)機(jī)工程技術(shù)研究中心，上海 201112）

0 引言

空間推進(jìn)技術(shù)是將化學(xué)能、電能等能源轉(zhuǎn)化為推進(jìn)劑噴射動(dòng)能的技術(shù)，主要應(yīng)用于航天器軌道機(jī)動(dòng)、位置保持、姿態(tài)控制和動(dòng)量輪卸載等。

在幾代航天人的接續(xù)努力下，我國(guó)空間推進(jìn)技術(shù)經(jīng)過(guò)60 多年的發(fā)展，在載人航天、人造衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、深空探測(cè)器、防務(wù)系統(tǒng)等方面取得了重大進(jìn)步和驕人成績(jī)。

1）空間推進(jìn)保障載人航天工程可靠實(shí)施。1992 年開(kāi)始研制的“神舟”飛船推進(jìn)系統(tǒng)，攻克了雙組元2 500 N 發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定燃燒抑制、金屬膜片貯箱可靠重復(fù)翻轉(zhuǎn)、金屬膜盒貯箱可重復(fù)排放及補(bǔ)加、大流量減壓閥高精度穩(wěn)壓和靜壓爬升抑制、液路浮動(dòng)斷接器和隔膜式壓氣機(jī)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，形成了我國(guó)航天器可靠性最高、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的空間推進(jìn)系統(tǒng)。推進(jìn)艙、軌道艙、返回艙推進(jìn)系統(tǒng)圓滿完成了“神舟一號(hào)”至“神舟十一號(hào)”的飛行試驗(yàn)任務(wù)，“天舟”貨運(yùn)飛船與“天宮二號(hào)”推進(jìn)系統(tǒng)圓滿完成了推進(jìn)劑補(bǔ)加任務(wù)，為我國(guó)空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2）空間推進(jìn)實(shí)現(xiàn)人造衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌。衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)突破了單組元發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命多次工作、490 N 變軌發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能提升、雙組元推進(jìn)劑剩余量測(cè)量和混合比調(diào)控、貯箱推進(jìn)劑均衡排放等關(guān)鍵技術(shù)，高效地完成了“東方紅”系列通信衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星、資源和遙感系列衛(wèi)星、實(shí)踐系列衛(wèi)星等的變軌和在軌推進(jìn)任務(wù)。電推進(jìn)技術(shù)在SJ-9A 衛(wèi)星上完成了在軌飛行驗(yàn)證后，在衛(wèi)星南北位置保持、姿態(tài)控制和變軌中的任務(wù)份額逐年增加。

3）空間推進(jìn)確保運(yùn)載火箭精確入軌?；鸺o助動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用了恒壓擠壓式單組元推進(jìn)技術(shù)，經(jīng)歷了從無(wú)水肼到單推三（DT-3）低冰點(diǎn)推進(jìn)劑的適應(yīng)性替換，拓寬了系統(tǒng)使用的環(huán)境溫度，用于運(yùn)載火箭二級(jí)和三級(jí)俯仰、偏航、滾動(dòng)的姿態(tài)控制、貯箱推進(jìn)劑沉底管理和末速修正等。

4）空間推進(jìn)助力探測(cè)器星際航行。“嫦娥一號(hào)/二號(hào)”探測(cè)器基于統(tǒng)一模式雙組元推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了繞月飛行。“嫦娥三號(hào)/四號(hào)”探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)突破了針?biāo)ㄊ絿娮⑵髯兺屏Πl(fā)動(dòng)機(jī)、大型復(fù)合材料貯箱及結(jié)構(gòu)件等關(guān)鍵技術(shù)，成功實(shí)施了月面軟著陸?！版隙鹞逄?hào)”探測(cè)器的軌道器、著陸器和上升器的77 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完成了探測(cè)器的軌道機(jī)動(dòng)、軟著落和月面起飛等任務(wù)?！疤靻?wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器推進(jìn)系統(tǒng)成功完成了地火轉(zhuǎn)移、火星軌道捕獲等動(dòng)作，將成為我國(guó)第一顆人造火星衛(wèi)星，完成“繞、落、巡”的目標(biāo)。

5）空間推進(jìn)提升防務(wù)系統(tǒng)高效機(jī)動(dòng)能力。動(dòng)力系統(tǒng)采取組合化、模塊化設(shè)計(jì)思想，突破了高壓復(fù)合材料燃燒室、“零”容腔噴注器、組合化電磁氣動(dòng)閥、預(yù)包裝金屬隔膜貯箱、流道與結(jié)構(gòu)一體化等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)系統(tǒng)的快響應(yīng)、小型化、輕量化的目標(biāo)，有效支撐了我國(guó)防務(wù)系統(tǒng)的發(fā)展。

本文回顧了我國(guó)空間推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況，重點(diǎn)對(duì)空間化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)、電推力器和空間推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合分析，最后對(duì)空間推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 空間化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

1.1 單組元發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

單組元發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和空間防務(wù)等總沖量需求不大的航天器，其特點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠性高。單組元發(fā)動(dòng)機(jī)比沖約220 s，目前形成了0.2～3 000.0 N 推力的產(chǎn)品型譜。

1）從短時(shí)工作到長(zhǎng)壽命工作，增強(qiáng)了衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行能力。運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間通常在幾十分鐘左右，而應(yīng)用于衛(wèi)星的單組元發(fā)動(dòng)機(jī)在軌工作時(shí)間可達(dá)2～8 a。目前衛(wèi)星最常用的單組元發(fā)動(dòng)機(jī)推力為1 N、5 N 和20 N。通過(guò)突破小流量推進(jìn)劑相變抑制、毛細(xì)管高流阻噴注和高效隔熱、長(zhǎng)壽命銥基催化劑、低功耗穩(wěn)定溫控等關(guān)鍵技術(shù)，單組元發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了脈沖工作40 萬(wàn)次、穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火時(shí)間8×104s、重復(fù)溫啟動(dòng)工作4 000 次的能力。

2）從無(wú)水肼到DT-3 推進(jìn)劑的轉(zhuǎn)變，提高了發(fā)射環(huán)境的適應(yīng)能力。為適應(yīng)低溫火箭和高寒地區(qū)的發(fā)射環(huán)境，單組元發(fā)動(dòng)機(jī)使用了由無(wú)水肼、硝酸肼和水混合而成的DT-3 推進(jìn)劑，其冰點(diǎn)從無(wú)水肼的1.4 ℃降低至?30 ℃，減輕了系統(tǒng)熱控功耗，提高了運(yùn)載火箭和空間防務(wù)系統(tǒng)快速發(fā)射的能力。

3）從有毒到無(wú)毒推進(jìn)劑的跨越，滿足了簡(jiǎn)化操控和綠色環(huán)保的發(fā)展要求。綠色健康環(huán)保是空間推進(jìn)技術(shù)重要的發(fā)展方向。硝酸羥胺（Hydroxylamine Nitrate，HAN）基和二硝酰胺銨（Ammonium Dinitramide，ADN）基推進(jìn)劑是兩種典型的無(wú)毒單組元推進(jìn)劑，是由氧化劑（HAN 或ADN）、燃料、水、溶劑和功能助劑等組成的含能離子鹽混合物，其工作包含催化分解和催化燃燒兩個(gè)相關(guān)過(guò)程。通過(guò)突破特種構(gòu)型噴注器、模塊化分區(qū)催化床、長(zhǎng)壽命耐高溫催化劑與高分解活性推進(jìn)劑等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了HAN、ADN 基推進(jìn)劑在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的高效穩(wěn)定催化分解和燃燒。新型無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)可以替換目前的肼類發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)升級(jí)換代，是載人航天器、小衛(wèi)星和重復(fù)使用飛行器等應(yīng)用的第二代單組元發(fā)動(dòng)機(jī)。經(jīng)過(guò)20 多年的研發(fā)，ADN 和HAN 基無(wú)毒推進(jìn)劑1 N 發(fā)動(dòng)機(jī)已完成在軌飛行演示，2020 年400 N 推力的無(wú)毒HAN 基推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)成功執(zhí)行了新一代載人飛船試驗(yàn)船返回艙的再入姿態(tài)調(diào)整任務(wù)［1］。

4）單元發(fā)動(dòng)機(jī)催化床從低床載到高床載，實(shí)現(xiàn)了防務(wù)系統(tǒng)快響應(yīng)輕小型化。為適應(yīng)有限空間的結(jié)構(gòu)布局和重量要求，催化劑床載荷從常規(guī)的1.0～2.5 g/cm3提高到4.0～6.0 g/cm3。這對(duì)催化劑的分解能力、特別是低溫環(huán)境和高工況工作的能力提出了挑戰(zhàn)。通過(guò)突破噴注器流強(qiáng)均勻分布、催化劑高效快速分解、閥門(mén)輕小型快響應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，床載荷得到了顯著提高，縮小了結(jié)構(gòu)尺寸，減少了催化劑裝填量，同時(shí)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，使單組元發(fā)動(dòng)機(jī)在空間防務(wù)飛行器末級(jí)得到了廣泛應(yīng)用。

5）冷氣推進(jìn)從高壓氣態(tài)到低壓液態(tài)，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑高密度安全貯存。高壓冷氣推進(jìn)可實(shí)現(xiàn)極快推力響應(yīng)，但高壓氣體長(zhǎng)期貯存可能發(fā)生泄露風(fēng)險(xiǎn)，且比沖和貯存密度不高。雖然提高壓力可增壓貯存密度，但是壓力升高到一定程度后氣體不再滿足理想氣體狀態(tài)方程，繼續(xù)增壓會(huì)導(dǎo)致壓力急劇上升而充氣質(zhì)量增量較小。液氨、丁烷等液化氣推進(jìn)技術(shù)利用液化氣在真空環(huán)境下發(fā)生閃蒸的特性，通過(guò)熱控加溫和氣化膨脹，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的推力輸出［2］。液化氣推進(jìn)技術(shù)中推進(jìn)劑以液態(tài)方式貯存而以氣態(tài)形式噴出，增加了貯存密度，消除了高壓氣體的貯存風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖也由70 s 提升至110 s。

1.2 雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)比沖約為單組元發(fā)動(dòng)機(jī)的1.5倍，廣泛應(yīng)用于總沖量大的航天器。經(jīng)過(guò)50 多年的發(fā)展，雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)形成從2 N 到15 kN 的系列化產(chǎn)品，比沖性能和可靠性持續(xù)提升。

1）比沖性能提高實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品升級(jí)換代。衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求非?？量?，因?yàn)樽冘壈l(fā)動(dòng)機(jī)消耗了占衛(wèi)星總質(zhì)量60%的推進(jìn)劑中80%的比例，且發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有備份，對(duì)可靠性要求也非常高。發(fā)動(dòng)機(jī)比沖提高10 s，衛(wèi)星在軌壽命可以延長(zhǎng)近2 a。我國(guó)1984 年研制的第一代490 N 發(fā)動(dòng)機(jī)，使用了鈮鉿合金和“815A”高溫抗氧化涂層，比沖為305 s。2001年開(kāi)始研制的第二代490 N 發(fā)動(dòng)機(jī)，使用了鈮鎢合金和“056”涂層，比沖提升至315 s，2012 年首飛實(shí)現(xiàn)了我國(guó)衛(wèi)星遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的升級(jí)換代。正在研制的第三代490 N 發(fā)動(dòng)機(jī)，使用了錸/銥和鈮鈦材料噴管，比沖為325 s，性能達(dá)到國(guó)際一流水平［3］。490 N 軌控發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1 所示。在490 N 變軌發(fā)動(dòng)機(jī)突破了高效率噴注霧化、燃燒不穩(wěn)定抑制、結(jié)構(gòu)溫度熱控、高溫抗氧化材料及制造工藝等關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，后續(xù)拓展研制了750 N、1 000 N 和3 000 N 發(fā)動(dòng)機(jī)，比沖大于320 s，最長(zhǎng)工作壽命超過(guò)35 000 s，形成了空間軌控發(fā)動(dòng)機(jī)系列化產(chǎn)品，滿足了新一代大容量衛(wèi)星平臺(tái)等航天器的變軌需求。為進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，面向液氧/甲烷軌姿控一體化推進(jìn)系統(tǒng)，開(kāi)展了多相態(tài)多次可靠點(diǎn)火、跨臨界流動(dòng)與穩(wěn)定傳熱燃燒、高性能變推力主發(fā)動(dòng)機(jī)、寬工況高可靠長(zhǎng)壽命姿控發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑空間貯存管理與輸送等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以滿足未來(lái)載人登火星、先進(jìn)上面級(jí)、重復(fù)使用運(yùn)載器等任務(wù)需求［4］。5 000 N 液氧/甲烷軌控發(fā)動(dòng)機(jī)如圖2 所示。

圖1 高性能490 N 遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.1 High performance 490 N apogee engine

圖2 5 000 N 液氧/甲烷軌控發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.2 5 000 N liquid oxygen/methane orbit controlled engine

2）雙閥座串聯(lián)冗余設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命工作。姿控發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期在軌執(zhí)行南北位保和姿態(tài)控制任務(wù)中，推進(jìn)劑控制閥門(mén)多次脈沖工作的可靠性至關(guān)重要。針對(duì)傳統(tǒng)單閥座閥門(mén)長(zhǎng)期工作后密封性能變差的問(wèn)題，10 N 雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)采用獨(dú)立作動(dòng)式雙閥座雙密封方案，閥腔內(nèi)采用兩套獨(dú)立的閥芯閥座，構(gòu)成兩道串聯(lián)的密封副，由一個(gè)共用線圈控制上、下閥芯獨(dú)立開(kāi)啟或關(guān)閉，提高了密封的可靠性。同時(shí)，10 N 發(fā)動(dòng)機(jī)采用了異型單噴嘴布局，擴(kuò)大了推進(jìn)劑噴注的環(huán)縫間隙，增強(qiáng)了抗污染能力。10 N 發(fā)動(dòng)機(jī)比沖達(dá)到了290 s，累計(jì)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火35 h，脈沖工作225 萬(wàn)次，一次連續(xù)點(diǎn)火13 h，是國(guó)內(nèi)工作壽命最長(zhǎng)的化學(xué)推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖3 所示。

圖3 雙組元10 N 姿控發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.3 10 N bipropellant attitude controlled engine

3）壓力體系提高實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)小型化快響應(yīng)。空間發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力通常在1.0 MPa 左右，為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和重量，同時(shí)提高燃燒性能和擴(kuò)大噴管面積比，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力提高到2.0～4.0 MPa。通過(guò)突破高熱流穩(wěn)定燃燒、組合式噴注器均勻流量分配、燃燒室傳熱與冷卻、耐高溫抗氧化復(fù)合材料噴管、復(fù)合材料與金屬焊接、輕質(zhì)快響應(yīng)電磁氣動(dòng)閥等關(guān)鍵技術(shù)，高室壓發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了輕小型化，響應(yīng)時(shí)間縮短至10 ms 以內(nèi)，廣泛應(yīng)用于空間防務(wù)領(lǐng)域。

4）大角度搖擺機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)空間發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)多臺(tái)多方位布局，提供不同方向的推力，推力矢量發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)搖擺調(diào)節(jié)推力方向，減少姿控發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量，同時(shí)容易實(shí)現(xiàn)推力通過(guò)航天器質(zhì)心，提高變軌效率。為減少調(diào)節(jié)噴管擺動(dòng)的力矩，降低作動(dòng)電機(jī)功耗，需選擇質(zhì)心處作為搖擺機(jī)構(gòu)的支點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心通常在燃燒室喉部附近，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)需采用再生冷卻方案以降低燃燒室喉部外表面溫度。對(duì)于再生冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，需通過(guò)液膜冷卻流量和燃燒室特征長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，控制流道內(nèi)冷卻劑溫升，攻克小流量下再生冷卻推進(jìn)劑汽蝕抑制技術(shù)，確保小尺寸通道內(nèi)不發(fā)生氣堵現(xiàn)象。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺功能，通過(guò)采用金屬硬管、雙向搖擺框架和泛塞密封的方案，突破大角度大位移下管路可靠動(dòng)密封、空間環(huán)境下?lián)u擺機(jī)構(gòu)承載變形控制、搖擺框架與推進(jìn)劑流道一體化結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了5 000 N 發(fā)動(dòng)機(jī)全周向25°大角度推力矢量調(diào)節(jié)，并成功應(yīng)用于“遠(yuǎn)征三號(hào)”上面級(jí)［5］。5 000 N 推力矢量調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖4 所示。

圖4 5 000 N 推力矢量調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.4 5 000 N adjustable thrust vector engine

5）大范圍流量調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)變推力。變推力發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行器交會(huì)對(duì)接、軌道機(jī)動(dòng)中可以實(shí)現(xiàn)最佳推力控制，提高航天器操縱性能和突防能力。在地外天體軟著落過(guò)程中，變推力發(fā)動(dòng)機(jī)為月面/火星表面著陸下降組合體降軌和軟著陸提供動(dòng)力。7 500 N 雙組元變推力發(fā)動(dòng)機(jī)如圖5 所示，通過(guò)突破高性能大變比針?biāo)ㄊ絿娮⑵?、大范圍雙組元推進(jìn)劑流量精確調(diào)節(jié)、推力快速階躍控制和高低工況下燃燒室冷卻等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了7 500→1 500 N 的5∶1無(wú)級(jí)精確變推力，完成了“嫦娥三號(hào)”至“嫦娥五號(hào)”飛行器下降、懸停與緩速落月任務(wù)。3 000 N 單組元變推力發(fā)動(dòng)機(jī)突破了高室壓多腔體組合分解室、高床載催化分解、多孔介質(zhì)徑向噴注等關(guān)鍵技術(shù)，完成了3 000→300 N 的10∶1 連續(xù)無(wú)級(jí)變推力調(diào)節(jié)。

圖5 7 500 N 變推力雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.5 7 500 N variable thrust bipropellant engine

6）組合化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)組模塊高度集成?？臻g發(fā)動(dòng)機(jī)需完成俯仰、滾動(dòng)、偏航、平移、反推等姿軌控任務(wù)，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)總裝結(jié)構(gòu)，突破了雙組元多流道立體布局、流道和機(jī)組結(jié)構(gòu)集成融合、直流/旋流復(fù)合式噴注器、微小型插裝式閥門(mén)、集成模塊裝測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)、三機(jī)、四機(jī)機(jī)組高度模塊化集成，如圖6 所示。多機(jī)組共用相同推進(jìn)劑入口，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)管路總裝設(shè)計(jì)，包絡(luò)空間和結(jié)構(gòu)重量?jī)H為常規(guī)機(jī)組的30%。組合化設(shè)計(jì)還縮小了推進(jìn)劑充填容腔，發(fā)動(dòng)機(jī)最短脈沖和間隔時(shí)間降至10 ms以下，提高了空間防務(wù)系統(tǒng)響應(yīng)速度。

圖6 雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)組Fig.6 Bipropellant engine unit

2 空間電推進(jìn)技術(shù)

電推進(jìn)利用電能加速噴射，其比沖是化學(xué)推進(jìn)的數(shù)倍甚至數(shù)十倍以上，推力小且精確可調(diào)，可大幅節(jié)省推進(jìn)劑，提高姿態(tài)控制精度，是化學(xué)能推進(jìn)向物理能推進(jìn)轉(zhuǎn)變的重要實(shí)現(xiàn)方式。

我國(guó)在20 世紀(jì)60 年代就開(kāi)展了電推進(jìn)技術(shù)研究，經(jīng)歷了起步、停滯、重啟、快速發(fā)展的曲折過(guò)程。1987 年蘭州空間技術(shù)物理研究所開(kāi)始專注于離子推力器的研究［6］，1994 年上?？臻g推進(jìn)研究所開(kāi)始專注于霍爾推力器的研究（如圖7 所示）。兩個(gè)研究所于2005 年和2008 年分別完成了我國(guó)首套霍爾、離子電推進(jìn)系統(tǒng)樣機(jī)研制，并于2012 年和2013 年成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次霍爾、離子電推進(jìn)在軌飛行［7］，驗(yàn)證了我國(guó)中功率電推進(jìn)設(shè)計(jì)方法和測(cè)試手段的正確性，使我國(guó)電推進(jìn)從預(yù)研階段轉(zhuǎn)入工程應(yīng)用階段。

圖7 首次在軌飛行驗(yàn)證的兩款電推力器Fig.7 Two electric thrusters verified in the first in-orbit flight

2.1 從單模式到多模式工作擴(kuò)大了電推進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域

全電推進(jìn)衛(wèi)星為了快速實(shí)現(xiàn)軌道提升需要電推進(jìn)以大推力模式工作，在位置保持時(shí)需要電推進(jìn)以高比沖模式工作。深空探測(cè)器因太陽(yáng)距離變化導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣功率變化，要求電推進(jìn)功率在較大范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。上述需求要求電推力器實(shí)現(xiàn)從單模式到多模式工作的轉(zhuǎn)變。通過(guò)攻克寬范圍調(diào)節(jié)磁路設(shè)計(jì)、高電壓放電區(qū)調(diào)控、大變比流量調(diào)節(jié)、大電流空心陰極、高效熱設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，研制了5 kW 級(jí)多模式霍爾推力器和離子推力器［8-9］，如圖8 和圖9所示?；魻柾屏ζ鞯湫椭笜?biāo)：大功率大推力模式功率5 kW，推力330 mN，比沖1 850 s，小功率高比沖模式功率2.2 kW，推力90 mN，比沖3 000 s。離子推力器典型指標(biāo)：大功率大推力模式功率5.0 kW，推力200 mN，比沖3 500 s，小功率高比沖模式功率3.0 kW，推力100 mN，比沖4 000 s。2018 年，兩款電推力器參加了全電推進(jìn)的工程星真空聯(lián)合點(diǎn)火試驗(yàn)。

圖8 HET-300 多模式霍爾推力器及其點(diǎn)火狀態(tài)Fig.8 HET-300 multi-mode Hall thruster and its ignition status

圖9 LIPS-300 多模式離子推力器及其點(diǎn)火狀態(tài)Fig.9 LIPS-300 multi-mode ion thruster and its ignition state

2.2 從被動(dòng)抗削蝕到主動(dòng)磁屏蔽防護(hù)大幅延長(zhǎng)了推力器壽命

電推力器由于推力小，在執(zhí)行變軌和位置保持任務(wù)時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間工作，壽命一般要求幾千至數(shù)萬(wàn)小時(shí)。在空心陰極成功驗(yàn)證28 115 h、16 000 次開(kāi)關(guān)長(zhǎng)壽命能力后，放電室削蝕成為了制約霍爾推力器壽命的主要因素。通過(guò)放電室出口磁場(chǎng)構(gòu)型、近壁電勢(shì)分布、等離子體束流約束等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，上?？臻g推進(jìn)研究所在國(guó)際上第二個(gè)掌握并應(yīng)用了磁屏蔽技術(shù)，使放電室削蝕速率降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，大幅延長(zhǎng)了推力器工作壽命。該技術(shù)已推廣應(yīng)用到200 W～50 kW 功率的系列化霍爾推力器上［10］，目前大功率磁屏蔽電推力器預(yù)估壽命可達(dá)3×104h 以上。

2.3 從電離區(qū)與加速區(qū)的耦合到解耦獲得了超高比沖途徑

針對(duì)傳統(tǒng)磁層霍爾推力器加速區(qū)與電離區(qū)強(qiáng)耦合難以實(shí)現(xiàn)1 500 V 以上高電壓加載和4 000 s 以上比沖的問(wèn)題，開(kāi)展了電離區(qū)和加速區(qū)解耦的雙級(jí)加速陽(yáng)極層霍爾推力器技術(shù)研究，通過(guò)電離區(qū)加速區(qū)解耦雙級(jí)加速、亞特斯拉級(jí)強(qiáng)磁場(chǎng)、高密度陽(yáng)極能量沉積和防護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了雙級(jí)加速原理驗(yàn)證，理論比沖可達(dá)6 000 s 以上。

2.4 從試驗(yàn)驗(yàn)證到仿真分析實(shí)現(xiàn)了推力器經(jīng)濟(jì)快速壽命評(píng)估

電推力器微小推力導(dǎo)致其壽命需要高達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，試驗(yàn)驗(yàn)證的設(shè)備要求、成本和周期代價(jià)都很大。通過(guò)攻克清潔環(huán)境高真空長(zhǎng)期維持、高穩(wěn)定度推進(jìn)劑和電能供應(yīng)、低漂移毫牛級(jí)推力測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)，完成了多次電推進(jìn)長(zhǎng)壽命試驗(yàn)。霍爾推力器完成了80 mN 的9 240 h 壽命試驗(yàn)，總沖達(dá)到2.66 MN·s。離子推力器完成了40 mN 的14 649 h壽命試驗(yàn)，總沖達(dá)到2.11 MN·s。

為節(jié)省試驗(yàn)成本、縮短評(píng)估周期，開(kāi)展了基于短時(shí)削蝕試驗(yàn)的壽命預(yù)估技術(shù)研究，通過(guò)不同試驗(yàn)時(shí)間的放電室壁面和柵極削蝕速率等的數(shù)據(jù)測(cè)量，以及仿真建模外推分析，初步實(shí)現(xiàn)了推力器壽命的快速評(píng)估，為形成電推力器經(jīng)濟(jì)快速的壽命評(píng)估方法積累了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

2.5 從小功率到大功率實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)推力量級(jí)躍升

除了中功率霍爾和離子電推進(jìn)，國(guó)內(nèi)脈沖等離子體推進(jìn)、微陰極電弧推進(jìn)、電噴推進(jìn)等微小功率電推進(jìn)近年來(lái)也已實(shí)現(xiàn)空間飛行驗(yàn)證。針對(duì)載人深空探測(cè)、星際貨運(yùn)、拖船等大型航天器的主推進(jìn)需求，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大功率的霍爾電推進(jìn)、離子電推進(jìn)和磁等離子體電推進(jìn)等技術(shù)研究，最大推力從毫牛量級(jí)提升至牛頓量級(jí)，奠定了核電推進(jìn)的基礎(chǔ)。

霍爾電推進(jìn)方面，研制了10、20 和50 kW 功率量級(jí)的大功率推力器，其中，20 kW 推力器的推力達(dá)到1.16 N，首次使國(guó)內(nèi)靜電式電推力器的推力從毫牛量級(jí)躍升至牛頓量級(jí)，50 kW 推力器推力達(dá)到2.50 N。離子電推進(jìn)方面，研制了10 kW 功率推力器，推力達(dá)到336.00 mN。磁等離子體電推進(jìn)方面，研制了百千瓦級(jí)附加磁場(chǎng)磁等離子體動(dòng)力推力器（Applied Field MagnetoPlasmaDynamic thruster，AF-MPD），功率86 kW 時(shí)，推力2.10 N［11］。

針對(duì)大型航天器采用氙氣總量多、成本高的問(wèn)題，開(kāi)展氪、碘等新型推進(jìn)劑研究，使推進(jìn)劑成本降低80 %以上。20 kW 級(jí)霍爾推力器采用氪氣推進(jìn)劑實(shí)測(cè)最大推力1.10 N，最高比沖4 006 s?；魻柾屏ζ鞑煌七M(jìn)劑點(diǎn)火如圖10 所示。

圖10 霍爾推力器不同推進(jìn)劑點(diǎn)火Fig.10 Hall thruster ignited by different propellants

3 空間推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)

3.1 多樣化推進(jìn)劑增壓方式滿足不同系統(tǒng)需求

空間推進(jìn)系統(tǒng)中通過(guò)高壓氣體擠壓貯箱內(nèi)的推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑增壓和輸送，主要有落壓和恒壓兩種方式。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的落壓式系統(tǒng)突破了變推力軌道和姿態(tài)控制、大落壓發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定催化分解等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從2.2～0.4 MPa 落壓范圍的可靠工作，應(yīng)用于風(fēng)云氣象衛(wèi)星、微小衛(wèi)星等單組元推進(jìn)系統(tǒng)。較復(fù)雜的恒壓式系統(tǒng)中配置了高壓氣瓶和減壓閥，擠壓氣體和推進(jìn)劑分別貯存，雙組元推進(jìn)劑按照額定流量供應(yīng)確保發(fā)動(dòng)機(jī)在額定混合比和壓力下穩(wěn)定燃燒，從而輸出恒定推力和精確沖量，易于航天器實(shí)現(xiàn)軌道和姿態(tài)控制。恒壓方式廣泛應(yīng)用于“神舟”飛船、“嫦娥工程”探測(cè)器、“天問(wèn)一號(hào)”、上面級(jí)和空間防務(wù)等雙組元推進(jìn)系統(tǒng)，以及運(yùn)載火箭輔助動(dòng)力和返回艙等單組元推進(jìn)系統(tǒng)。

為提高推進(jìn)系統(tǒng)可靠性，長(zhǎng)壽命衛(wèi)星采用了恒壓/落壓相結(jié)合的增壓方式。在衛(wèi)星變軌機(jī)動(dòng)時(shí)，采用恒壓式增壓，軌控發(fā)動(dòng)機(jī)輸出恒定的推力，衛(wèi)星軌道定位后，通過(guò)切斷氣瓶?jī)?nèi)高壓氣源，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)以落壓方式完成衛(wèi)星后期的位置和姿態(tài)控制任務(wù)。這種柔性的增壓方式避免了衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌時(shí)減壓閥出口壓力爬升造成貯箱壓力過(guò)高的問(wèn)題。該增壓方式應(yīng)用于“東方紅三號(hào)”“東方紅四號(hào)”等衛(wèi)星平臺(tái)。

電動(dòng)增壓是介于氣體擠壓與燃?xì)鉁u輪增壓之間的新型增壓方式。對(duì)于大沖量的空間任務(wù)，電動(dòng)增壓方法可顯著降低貯箱壓力，極大減輕貯箱重量，同時(shí)可提高發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力，減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和重量，提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能。此外，通過(guò)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速還能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)大范圍推力調(diào)節(jié)和多次重復(fù)啟動(dòng)工作。通過(guò)突破高效率低比轉(zhuǎn)速離心泵、高速屏蔽電機(jī)電磁渦流損耗抑制、電動(dòng)泵多次啟停與大范圍變工況控制、長(zhǎng)壽命自潤(rùn)滑高速軸承和高儲(chǔ)能密度快速深度放電電池等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制了7.5 kW電動(dòng)泵發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)入口壓力由擠壓式系統(tǒng)的1.6 MPa 提高至5.5 MPa。該技術(shù)可應(yīng)用于先進(jìn)上面級(jí)、大范圍軌道轉(zhuǎn)移飛行器、小型運(yùn)載火箭等任務(wù)。

3.2 推進(jìn)劑測(cè)量與調(diào)控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效精穩(wěn)運(yùn)行

“神舟”飛船推進(jìn)艙、“天舟”貨運(yùn)飛船、“天宮”空間實(shí)驗(yàn)室等航天器雙組元推進(jìn)系統(tǒng)采用了四貯箱平鋪布局構(gòu)型，推進(jìn)劑剩余量精確測(cè)量、氧化劑/燃料同步消耗、并聯(lián)貯箱推進(jìn)劑均衡排放是推進(jìn)系統(tǒng)提高推進(jìn)劑利用率的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

在推進(jìn)劑剩余量測(cè)量方面，有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N途徑。直接測(cè)量技術(shù)通過(guò)在貯箱內(nèi)設(shè)置位移測(cè)量系統(tǒng)，利用邊界元分析技術(shù)獲得剩余量與金屬隔膜非線性變形產(chǎn)生位置的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系，計(jì)算得到推進(jìn)劑剩余量。該技術(shù)在“神舟”飛船推進(jìn)系統(tǒng)上得到應(yīng)用，剩余量測(cè)量精度優(yōu)于2%。間接測(cè)量技術(shù)有很多種，其中，推進(jìn)劑測(cè)量系統(tǒng)（Propellant Gauging System，PGS）剩余量測(cè)量方法精度較高。該技術(shù)采用氣體注入壓力激勵(lì)法，根據(jù)激勵(lì)氣體注入前后貯箱、氣瓶的壓力、溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)分析模型確定貯箱中氣墊的體積，反推貯箱中推進(jìn)劑的體積和質(zhì)量。某衛(wèi)星型號(hào)采用了PGS 剩余量測(cè)量技術(shù)，在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，推進(jìn)劑剩余量測(cè)量精度由傳統(tǒng)簿記法的2.5%～3.5%提升至1.0%。

在氧/燃兩種推進(jìn)劑同步消耗方面，由于航天器在軌期間推進(jìn)系統(tǒng)不具備調(diào)節(jié)推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)流阻特性的能力，可以通過(guò)PGS 支路補(bǔ)氣等手段調(diào)節(jié)不同組元推進(jìn)劑貯箱內(nèi)增壓氣體的壓力來(lái)改變流量，使兩種組元推進(jìn)劑同步消耗，實(shí)現(xiàn)混合比在軌調(diào)節(jié)。某衛(wèi)星型號(hào)在軌推進(jìn)劑混合比調(diào)節(jié)精度達(dá)到了1.5%。

在并聯(lián)貯箱推進(jìn)劑均衡排放方面，采用金屬膜片貯箱預(yù)排放技術(shù)及系統(tǒng)流阻匹配技術(shù)，“嫦娥三號(hào)”月球探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)并聯(lián)金屬膜片貯箱推進(jìn)劑均衡排放和7 500 N 發(fā)動(dòng)機(jī)推力的精確控制，兩個(gè)貯箱排放不均衡度優(yōu)于2%、推力控制精度優(yōu)于2%［12］。

3.3 推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)延長(zhǎng)航天器服役壽命

推進(jìn)劑消耗殆盡是航天器壽命終結(jié)的主要原因，因此實(shí)施推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加是延長(zhǎng)航天器服役壽命的有效措施。歷經(jīng)14 a 技術(shù)攻關(guān)，空間補(bǔ)加完成了“全油填充和自適應(yīng)補(bǔ)油”隔膜式壓氣機(jī)、電動(dòng)式推進(jìn)劑液路浮動(dòng)斷接器等兩個(gè)重要產(chǎn)品研制。隔膜式壓氣機(jī)解決了空間微重力環(huán)境下油氣混合、液壓油自動(dòng)補(bǔ)償?shù)入y題，攻克了多級(jí)泛塞密封、機(jī)體輕小型化結(jié)構(gòu)、高效循環(huán)液冷、超高強(qiáng)度鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造等關(guān)鍵技術(shù)，工作壽命達(dá)到1 000 h 以上，啟動(dòng)次數(shù)大于100 次，并將擠壓氣體從2 MPa 增壓至23 MPa。液路浮動(dòng)斷接器突破了推進(jìn)劑管路自適應(yīng)浮動(dòng)對(duì)接、插合與分離柔性閉環(huán)控制等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了橫向位移偏差2.5 mm 和全錐角偏差補(bǔ)償2°的浮動(dòng)補(bǔ)償能力，整體性能指標(biāo)優(yōu)于美俄同類產(chǎn)品。2017 年“天宮二號(hào)”和“天舟一號(hào)”成功完成了高壓氣體的回收利用和三次在軌補(bǔ)加任務(wù)，使我國(guó)成為第二個(gè)獨(dú)立掌握該技術(shù)的國(guó)家，為空間站建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.4 預(yù)包裝技術(shù)拓展了化學(xué)推進(jìn)的應(yīng)用領(lǐng)域

防務(wù)領(lǐng)域飛行器要求推進(jìn)系統(tǒng)在高壓氣體和推進(jìn)劑充填狀態(tài)下具備預(yù)包裝長(zhǎng)期貯存的能力。為適應(yīng)更長(zhǎng)時(shí)間的地面貯存，避免高壓氣體增壓方案長(zhǎng)期貯存泄露的問(wèn)題，研發(fā)了液體和固體推進(jìn)劑燃?xì)庠鰤杭夹g(shù)。通過(guò)突破低燃溫推進(jìn)劑配方、差動(dòng)貯箱增壓及高溫密封、燃速可控固體藥柱、耐高溫控制閥及隔膜貯箱等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)常溫常壓貯存、使用時(shí)分解產(chǎn)生高溫燃?xì)獾脑鰤悍桨?，并得到了工程?yīng)用。

通過(guò)采用與推進(jìn)劑長(zhǎng)期相容的金屬隔膜貯箱，實(shí)現(xiàn)了推進(jìn)劑預(yù)包裝。為進(jìn)一步提高空間利用率和推進(jìn)劑裝填效率以及最大限度減小貯箱的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，研發(fā)了雙膜共底金屬波紋膜片貯箱，如圖11所示。氧化劑和燃料分別裝填在貯箱兩個(gè)半球液腔內(nèi)，依靠?jī)蓚€(gè)波紋膜片實(shí)現(xiàn)氧化劑和燃料的有效隔離。通過(guò)突破金屬膜片的型面設(shè)計(jì)和制造裝配工藝技術(shù)，解決了金屬膜片結(jié)構(gòu)周向失穩(wěn)問(wèn)題，確保了貯箱工作時(shí)全過(guò)程壓差的穩(wěn)定性和翻轉(zhuǎn)的可靠性。雙膜共底波紋膜片貯箱作為一種全新結(jié)構(gòu)的雙組元推進(jìn)劑預(yù)包裝貯箱，具有空間占比小、質(zhì)量小、質(zhì)心偏移量小及熱控功耗小等優(yōu)點(diǎn)，與采用兩個(gè)球形貯箱的常規(guī)技術(shù)方案相比，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量減小約25%，空間占比減小約40%。該技術(shù)成功應(yīng)用于星箭一體化動(dòng)力系統(tǒng)中。

圖11 雙膜共底金屬膜片貯箱工作過(guò)程示意圖Fig.11 Operation diagram of the double-membrane common bottom metal diaphragm tank

3.5 電推進(jìn)豐富拓展了空間推進(jìn)的能力

電推進(jìn)因其高比沖、小推力、大總沖、寬調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，豐富拓展了空間推進(jìn)的能力。高比沖長(zhǎng)壽命電推進(jìn)技術(shù)使高承載比全電推進(jìn)衛(wèi)星和大速度增量軌道轉(zhuǎn)移飛行器等航天器推進(jìn)劑攜帶量大幅減少，與采用化學(xué)推進(jìn)相比，可以實(shí)現(xiàn)一箭雙星發(fā)射［13］。微小推力電推進(jìn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低軌/超低軌航天器的大氣阻力補(bǔ)償和重力梯度衛(wèi)星的無(wú)拖曳控制。我國(guó)初步形成了覆蓋大中小功率的電推力器型譜，百瓦至5 kW 級(jí)的中小功率電推進(jìn)逐漸實(shí)現(xiàn)型號(hào)應(yīng)用，其中，霍爾推力器形成了功率0.1～50.0 kW、推力5 mN～3 N 的產(chǎn)品型譜，離子推力器形成了功率0.05～10.00 kW、推力1～330 mN 的產(chǎn)品型譜。

針對(duì)單臺(tái)電推力器較難實(shí)現(xiàn)大推力的問(wèn)題，開(kāi)展了以小推力電推力器簇組成大推力電推進(jìn)系統(tǒng)及推力器簇故障重組等技術(shù)研究。4 臺(tái)500 mN 霍爾推力器組成的推力器簇在42 kW 時(shí)的點(diǎn)火狀態(tài)如圖12 所示，推力大于2 N。

圖12 4 臺(tái)500 mN 霍爾推力器組成的推力器簇點(diǎn)火狀態(tài)Fig.12 Ignition state of the thruster cluster composed of four 500 mN Hall thrusters

電推進(jìn)易于模塊化、便于在軌更換的特點(diǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)航天器的在軌維護(hù)。通過(guò)電推進(jìn)系統(tǒng)模塊化在軌更換技術(shù)研究，首次實(shí)現(xiàn)了空間站霍爾推力器、氣瓶模塊的在軌機(jī)械手更換設(shè)計(jì)，同時(shí)提出了電推進(jìn)系統(tǒng)單機(jī)級(jí)模塊化在軌更換思路，為航天器長(zhǎng)期運(yùn)行提供了支撐。

3.6 多模式混合使得各類推進(jìn)互為補(bǔ)充

空間多模式推進(jìn)系統(tǒng)主要包括化學(xué)雙模式推進(jìn)和化電混合推進(jìn)，可以兼顧軌控發(fā)動(dòng)機(jī)大推力高性能、姿控發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命小沖量和電推進(jìn)高比沖高精度的優(yōu)點(diǎn)。

目前應(yīng)用較多的統(tǒng)一模式推進(jìn)系統(tǒng)中姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)均采用一甲基肼MMH、四氧化二氮N2O4推進(jìn)劑，存在小推力姿控發(fā)動(dòng)機(jī)噴注孔尺寸過(guò)小、加工工藝難度大、容易堵塞、且雙元發(fā)動(dòng)機(jī)難以提供足夠小的脈沖沖量的問(wèn)題。統(tǒng)一推進(jìn)系統(tǒng)通常燃料和氧化劑不會(huì)同時(shí)耗盡，還存在某種推進(jìn)劑過(guò)量造成剩余浪費(fèi)的現(xiàn)象［14］。

雙模式推進(jìn)系統(tǒng)中軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用無(wú)水肼N2H4、N2O4推進(jìn)劑，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)采用無(wú)水肼單組元推進(jìn)劑。N2H4作雙組元主發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能較N2H4/N2O4雙組元推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)高出5 s左右，同時(shí)又作為單組元姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑，可以產(chǎn)生亞牛級(jí)的推力，實(shí)現(xiàn)航天器精確姿態(tài)控制。雙模式推進(jìn)系統(tǒng)把單組元姿控發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠、小推力的優(yōu)點(diǎn)和雙組元軌控發(fā)動(dòng)機(jī)高比沖的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)推進(jìn)劑高效率利用，使系統(tǒng)具有更高的綜合性能。

化電混合推進(jìn)系統(tǒng)既有大推力液體發(fā)動(dòng)機(jī)又有小推力高比沖的電推力器，在航天器快速大機(jī)動(dòng)變軌時(shí)采用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，在航天器長(zhǎng)時(shí)間大范圍變軌和姿態(tài)控制時(shí)采用電推進(jìn)系統(tǒng)，非常適合于推進(jìn)任務(wù)模式較為固定的GEO 衛(wèi)星和任務(wù)柔性較大的深空探測(cè)器。

4 發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)的載人登月、載人登火和星際探測(cè)等空間任務(wù)具有探測(cè)距離更遠(yuǎn)、在軌周期更長(zhǎng)、任務(wù)規(guī)模更大、工程更加復(fù)雜、任務(wù)執(zhí)行更快等特征，需要實(shí)現(xiàn)快速經(jīng)濟(jì)天地往返、大范圍軌道轉(zhuǎn)移、地外星體著陸駐留起飛、長(zhǎng)距離長(zhǎng)周期深空飛行、在軌服務(wù)與維護(hù)等，這些對(duì)空間推進(jìn)技術(shù)提出了更加高效、環(huán)保和自主智能的發(fā)展要求。

4.1 高性能長(zhǎng)壽命是空間推進(jìn)的不懈追求

高性能高可靠發(fā)動(dòng)機(jī)是航天動(dòng)力持續(xù)不斷的研發(fā)目標(biāo)，直接關(guān)系到航天器的綜合性能。目前常規(guī)化學(xué)推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能達(dá)到了325 s，后續(xù)通過(guò)采用電動(dòng)泵增壓和耐高溫抗氧化材料，突破高效噴注器、穩(wěn)定燃燒與傳熱等關(guān)鍵技術(shù)，可將高室壓發(fā)動(dòng)機(jī)比沖提高至345 s，通過(guò)采用低溫氧化劑、金屬化膠體推進(jìn)劑，突破材料長(zhǎng)期相容性、耐高溫抗氧化材料、燃燒不穩(wěn)定抑制等關(guān)鍵技術(shù)，空間發(fā)動(dòng)機(jī)比沖提高至365 s 以上，為上面級(jí)、高軌衛(wèi)星和軌道機(jī)動(dòng)飛行器等航天器提供快速高效的動(dòng)力。

更高比沖、更大推力、更長(zhǎng)壽命是電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。通過(guò)電離與加速解耦、磁屏蔽和碘/鉍/氪工質(zhì)等技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)推力器比沖從3 000 s 提升到6 000 s、壽命達(dá)到3×104h 以上、高密度低壓力推進(jìn)劑貯存和低成本的目標(biāo)。通過(guò)采用推力器簇和嵌套放電室等方案，實(shí)現(xiàn)推力從毫牛級(jí)向牛頓級(jí)的提高。高性能的電推進(jìn)技術(shù)為全電衛(wèi)星、大范圍軌道轉(zhuǎn)移飛行器、深空探測(cè)和星際貨運(yùn)等提供高效動(dòng)力。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)毒化是空間推進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)

目前運(yùn)載火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)采用液氧/煤油和液氧/液氫推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)了無(wú)毒化，研發(fā)高性能無(wú)毒推進(jìn)劑空間發(fā)動(dòng)機(jī)替代劇毒肼類發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)新一代運(yùn)載火箭“全箭無(wú)毒化”是必然趨勢(shì)。

在目前無(wú)毒單組元發(fā)動(dòng)機(jī)在推廣應(yīng)用的同時(shí)，開(kāi)展第二代高性能HAN、ADN 基發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究，達(dá)到255 s 比沖的目標(biāo)。雙組元無(wú)毒發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了過(guò)氧化氫/自燃煤油、氣氧/煤油、空氣/煤油等推進(jìn)劑組合的探索，后續(xù)基于高性能、低成本、綠色潔凈和可空間長(zhǎng)期貯存的液氧/甲烷推進(jìn)劑組合，開(kāi)展電動(dòng)增壓式軌姿控一體化空間推進(jìn)系統(tǒng)研究，支撐我國(guó)液體空間動(dòng)力的升級(jí)換代，為運(yùn)載火箭及上面級(jí)、軌道機(jī)動(dòng)飛行器、載人火星探測(cè)等航天器提供高性能綠色動(dòng)力。

4.3 在軌服務(wù)與維護(hù)是延長(zhǎng)太空活動(dòng)的有效方法

通過(guò)在軌維修、在軌重構(gòu)、模塊更換、燃料加注、在軌救援等措施，實(shí)現(xiàn)航天器軌道機(jī)動(dòng)能力提升和在軌壽命延長(zhǎng)。在“天宮二號(hào)”推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高推進(jìn)劑補(bǔ)加速度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)水肼、高純氙氣或氪氣、液氧/液甲烷等多類型推進(jìn)劑的補(bǔ)加，保證航天器在軌具備充足的推進(jìn)工質(zhì)。此外開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)故障發(fā)動(dòng)機(jī)的在軌更換。

大型航天器功能日趨強(qiáng)大，構(gòu)型愈加復(fù)雜，類似多艙構(gòu)成的空間站、長(zhǎng)期在軌的航天器必將朝著智能化方向發(fā)展。通過(guò)智能規(guī)劃策略、信息感知、數(shù)據(jù)處理、分析診斷、智能尋優(yōu)決策、控制執(zhí)行、反饋評(píng)估和學(xué)習(xí)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)具備在軌健康監(jiān)測(cè)、自主診斷、智能控制、自動(dòng)修復(fù)和在軌重構(gòu)能力的智能化空間推進(jìn)系統(tǒng)，保障航天器高可靠長(zhǎng)壽命空間運(yùn)行。

4.4 從化學(xué)能向物理能升級(jí)是人類實(shí)現(xiàn)太空活動(dòng)自由的必然途徑

物質(zhì)與能量是航天活動(dòng)的基本要素。推進(jìn)系統(tǒng)的推力、比沖和壽命直接決定了航天任務(wù)的范圍、規(guī)模和周期?，F(xiàn)役化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中性能最高的氫/氧發(fā)動(dòng)機(jī)比沖為465 s，難以滿足人類空間長(zhǎng)期自由活動(dòng)的動(dòng)力需求。從利用推進(jìn)劑化學(xué)鍵釋放的化學(xué)能向微觀粒子（離子、光子、原子核等）相互作用釋放的物理能轉(zhuǎn)變是獲取高密度能量的最佳途徑。核動(dòng)力是目前可預(yù)期實(shí)現(xiàn)的、革命性的空間推進(jìn)系統(tǒng)方案，是“可改變游戲規(guī)則”的戰(zhàn)略前沿技術(shù)和人類實(shí)現(xiàn)空間自由活動(dòng)的必然途徑［15］。

通過(guò)核裂變或核聚變釋放的熱能，可以為大推力核熱推進(jìn)提供連續(xù)的熱能輸入。通過(guò)閉式布雷頓循環(huán)或磁流體實(shí)現(xiàn)核能的熱電轉(zhuǎn)換獲得的百千瓦至兆瓦電能，不僅可以為大功率電推進(jìn)提供能量輸入，還可滿足航天器上大功率有效載荷的持續(xù)電能供應(yīng)和星表基地能源需求。核電推進(jìn)模式下，電推力器的推力可以達(dá)到百牛級(jí)，比沖可達(dá)10 000 s，是載人深空探測(cè)、星際航行和空間貨物運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)的理想方案。核熱推進(jìn)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)比沖可達(dá)900 s，是化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)比沖的3 倍。核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)可極大增強(qiáng)大規(guī)?？焖龠M(jìn)入空間和執(zhí)行深空探測(cè)任務(wù)的能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

空間推進(jìn)從產(chǎn)品研制上看，經(jīng)歷了從無(wú)到有、從有到精的過(guò)程，形成了單組元發(fā)動(dòng)機(jī)、雙組元發(fā)動(dòng)機(jī)、電推力器等單機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)的系列化型譜，成功支撐了我國(guó)載人航天、深空探測(cè)、衛(wèi)星、空間防務(wù)等任務(wù)，推進(jìn)技術(shù)水平不斷提升，同時(shí)帶動(dòng)了先進(jìn)材料和工藝等基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展。

空間推進(jìn)從研制模式上看，經(jīng)歷了從仿制到自研、從跟研到創(chuàng)新、從單純型號(hào)牽引到型號(hào)牽引與技術(shù)推動(dòng)并舉的過(guò)程。前期，空間發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)借鑒了前蘇聯(lián)和歐美的成熟技術(shù)和產(chǎn)品，目前已經(jīng)走出了一條自主創(chuàng)新研發(fā)的道路。電推進(jìn)方面已經(jīng)研制出國(guó)際一流水平的型譜化產(chǎn)品，提升了我國(guó)航天器的綜合性能。

空間推進(jìn)從技術(shù)水平上看，呈現(xiàn)出從跟跑到比肩、部分達(dá)到領(lǐng)先的狀態(tài)。目前我國(guó)空間軌姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能、工作壽命和可靠性等方面達(dá)到了國(guó)際一流水平，無(wú)毒單組元發(fā)動(dòng)機(jī)在國(guó)際上率先成功應(yīng)用，推進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)了在軌補(bǔ)加，同時(shí)高比沖長(zhǎng)壽命電推進(jìn)和大功率核電推進(jìn)等技術(shù)也在積極探索，研究成果將有力提升我國(guó)航天器空間活動(dòng)能力。