一个世纪了，卫星推进技术再次突破

（文/太阳谷）

导读：自1902年俄罗斯的齐奥尔科夫斯基和1906年美国的哥达德博士分别提出电推进概念以来，电推进技术发展已经走过了一个多世纪的历程，大致分四个阶段：1902年～1964年为概念提出和原理探索阶段，美国、英国、德国分别研制出离子电推进样机，俄罗斯研制了霍尔电推进样机；1964年～1980年为地面和飞行试验阶段，美国完成汞离子电推进飞行试验，俄罗斯完成SPT霍尔电推进飞行试验；1980年～2000年为航天器开始应用阶段，俄罗斯的霍尔电推进和美国的离子型电推进相继应用，日本、德国等其它国家的电推进也开始飞行试验；2000年至今为电推进技术和应用快速发展阶段。

与传统的化学推进器相比，电力的使用增强了空间电推进（EP）器的推进性能。与化学系统不同，电推进只需要很小的质量就可以加速航天器。空间电推进（EP）器推进剂的喷射速度比传统的化学推进器快20倍，因此整个系统的质量效率要高出许多倍。减少推进剂的大量消耗可以降低任务成本，允许在卫星上进行更多的实验。电力推进不受能量限制，而仅受航天器上可用电力的限制。因此，EP适用于星载低推力（微牛顿和毫牛顿水平）、长持续时间（高ISP）应用。

通常，电力推进系统由一个或多个电力推进器组成，这些推进器连接到功率处理单元（PPU）、推进剂存储供给系统（包括储罐、压力调节器、流量控制单元、阀门等）以及指向机制上。下图显示了EP系统架构。

电推进是一种先进的空间推进技术。它把外部电能转化为推进剂的喷射动能产生推力，相对化学推进具有比冲高的显著特点。按照电推进的工作原理，传统电推进分为电热式、静电式和电磁式三大类。

不同推进器类型的发展水平显着不同。在欧洲，过去四十年来，电力推进的所有不同领域都取得了进展（参见下图）。离子推进器（GIE）和霍尔效应推进器（HET）在性能方面已领先。这些推进器的功率范围在数百瓦至数十千瓦之间，具有几千秒到数万秒的Isp。

霍尔推力器作为霍尔电推进系统的关键组件之一，其工作原理是利用霍尔效应原理。霍尔推力器的电子发射源是空心阴极，其发射的电子一部分进入放电室供霍尔推力器引弧并维持放电，另一部分进入霍尔推力器喷流以维持等离子体羽流的电中性；磁极与内外磁线圈组成磁路系统，在放电室内部形成径向磁场；阳极/气体分配器上施加高电压，形成放电室内部轴向加速电场；放电室是推进剂电离和加速的场所，气体推进剂由推进剂输送管路和阳极/气体分配器进入放电室，并在其中完成电离和加速。

霍尔推力器

等离子电推进用电能将惰性气体氙气电离，形成由离子和电子组成的等离子体，离子在电场作用下加速喷出，产生推力。并且其电离区和加速区分离，所以推力器效率更高，比冲更高，消耗推进剂更少，缺点是技术复杂，电源种类多，尺寸、重量较大。

空间电力推进应用

目前已经应用的电推进类型包括肼电热、肼电弧、氙离子、氙霍尔、PPT等，列入应用计划的还包括场发射、胶体等，其中直流放电型离子和SPT霍尔是目前应用最多的主流产品，已经出现肼电热推力器被淘汰、肼电弧推力器被更高性能的离子推力器和霍尔推力器逐渐取代的发展趋势。已经应用电推进的国家包括美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度等，中国、韩国、以色列等国家正在制定或实施电推进应用计划。电推进的主用应用包括GEO位置保持、深空探测主推进、无拖曳控制、姿态控制、轨道转移等方面，其中GEO轨道位置保持为主导性应用，深空探测主推进为快速扩展性应用。

通信卫星领域

商业GEO通信卫星是空间电力推进系统的最大市场。由于采用了NSSK和电动升轨（EOR），使得相关通信卫星变得更具竞争力。发射器将这些卫星送入地球静止转移轨道（GTO），然后通过星载推进器进行轨道提升机动以达到GEO。使用化学推进轨道上升需要长达一周的时间，与此同时一半的卫星质量是推进剂。而使用电力推进，轨道上升需要长达六个月的时间，但发射质量可以减少40%。

使用EP的通信卫星节省的推进剂质量可以用于容纳更大和更复杂的有效载荷。此外在过去十年中，GEO通信卫星的发展趋势为电力需求大量增加，以满足有效载荷的需求，而应用了EP子系统后卫星就不需要额外的发电平台。

1997年，波音公司制造了世界上第一颗美国EP电信卫星-泛美卫星（PanAmSat），使用XIPS离子推进系统进行站点保持，使用化学推进器进行轨道提升机动。

2001年，欧洲航天局（欧空局）的Artemis（先进中继技术任务卫星）首次展示欧洲EP推进器用于轨道提升的飞行演示，在发射器异常后将卫星恢复到最终轨道。

Artemis

2010年，洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）的先进极高频（AEHF）卫星在其主化学推进系统出现异常后，使用了霍尔效应推进器来完成轨道提升。

2013年，Thales和空中客车交付了第一颗大型电信卫星Alphasat，使用一套四个Safran飞机引擎PPS1350推进器进行空间站保持。

Alphasat

2015年，波音公司成功演示了世界上第一个使用XIPS离子引擎进行车站保持和轨道提升的全电动航天器。

2017年，ESA-OHB SmallGEO平台发射升空，配备了8个SPT-100推进器，以完成15年来的所有轨道机动。同年，空中客车DS制造的“全电动”EUTELSAT 172B卫星，通过使用这些5千瓦的霍尔效应推进器，在创纪录的时间内到达了地球静止轨道。

ESA-OHB SmallGEO平台

科学与探索航天器

科学航天器使用电力推进系统被认为是提高飞行任务性能的重要途径。用电动推进器代替或增强化学推进器作为主要推进系统可以带来以下好处：净有效载荷质量增加；减少基于化学推进和复杂重力辅助操作的飞行时间；使用中小型运载工具的可能性（可节省大量的发射费用）；在功率可用性、卫星质量和任务轮廓方面，特定的任务要求决定了要使用的特定EP的选择。

国外电推进技术的发展现状

当前国外电推进技术的发展现状可以归纳为7个方面。

此外，NASA计划将地月空间用作低地球轨道以远的未来载人深空任务的试验场，“小行星重定向机器人任务”（ARRM）属于该计划的一部分。NASA科学家设想在ARRM项目中执行一些演示验证任务，包括利用可使推力提升20倍的深空太阳能电力推进技术，执行大型有效载荷的空间运输与机动飞行；从一颗小行星上获取重量超过20吨的巨石，并将其重新定位于绕月轨道，航天员可在未来抵达该轨道；并在未来一体化的载人与机器人飞行器深空任务中使用。

全电推进技术研究现状

目前国外电推进技术研究的重点，集中于对GEO卫星轨道控制、轨道转移以及深空探测等多任务应用的多模式电推进领域，主要的研究国家有美国、俄罗斯、日本、英国、德国和法国等，其中美国、日本、英国和德国的研究重点为离子电推进，俄罗斯与法国则主要针对霍尔电推进开展研究，各个国家经过十多年的努力，多款多模式电推进系统相继研制成功并完成了大量地面试验验证，部分多模式电推进系统在GEO卫星平台上得到了广泛应用。

美国的XIPS-25离子电推进系统首次成功应用于Galaxy11大型通信卫星执行卫星南北位保任务之后，在BBS-702HP平台各种卫星上得到广泛应用，承担卫星在轨工作期间的南北位保任务，以及变轨末期的GEO轨道圆化等部分轨道转移任务。

XIPS-25离子电推进系统主要技术指标与工作参数

我国首个全电推进卫星平台和下一代地球同步轨道卫星平台均计划采用电推进系统，承担卫星在轨期间的全位保和轨道转移任务。近年来，国内在电推进技术研究与产品研发方面取得了快速发展，离子与霍尔两种国际主流电推进系统研制所涉及的许多关键技术陆续得到解决与突破，多种类型、不同规格的单模式电推进产品相继研制成功，并完成或即将开展在轨飞行试验，针对通信卫星的全电推进平台也在开发研制过程中。为我国电推进产品的航天型号应用奠定了良好的技术与产品基础，与国外航天技术先进国家之间在电推进领域的技术与产品差距显著缩小。