電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動態(tài)研究

1、1電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動態(tài)研究 電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動態(tài)研究潘海林、沈巖、毛威、丁鳳林（中國空間技術(shù)研究院控制與推進(jìn)事業(yè)部）摘要 摘要 本文介紹了國外電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動態(tài)，尤其是美國、俄羅斯、歐洲、日本等主要航天強(qiáng)國在電推進(jìn)技術(shù)空間應(yīng)用方面的成功范例，以及國外在電推進(jìn)應(yīng)用過程中遇到的問題和應(yīng)對策略，通過對國外典型電推進(jìn)平臺的情報研究和分析，可以發(fā)現(xiàn)電推進(jìn)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及我院目前亟需解決的核心技術(shù)問題，為我們今后電推進(jìn)應(yīng)用與發(fā)展研究提供

2、參考，加速電推進(jìn)的研究與應(yīng)用步伐，少走彎路。關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 電推進(jìn) 離子推力器 霍爾推力器 應(yīng)用技術(shù) 地面驗證1 前言電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，由于其高比沖的優(yōu)勢，在先進(jìn)國家的衛(wèi)星平臺上已經(jīng)得到日漸廣泛的應(yīng)用。降低系統(tǒng)質(zhì)量、提高壽命、增加有效載荷，已經(jīng)成為衡量一顆衛(wèi)星先進(jìn)性的重要指標(biāo)。除了應(yīng)用在長壽命通訊衛(wèi)星上以提高衛(wèi)星平臺性能外，電推進(jìn)更可以完成常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)無法完成的任務(wù)，如深空探測、星際旅行等需要大 ΔV 的任務(wù)以及

3、需要精確姿態(tài)控制的衛(wèi)星、微小衛(wèi)星、衛(wèi)星星座組網(wǎng)控制等任務(wù)。因此，電推進(jìn)系統(tǒng)的工程應(yīng)用，不僅可以節(jié)約推進(jìn)劑、提高壽命，對于未來的深空探測任務(wù)以及電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展也具有重要的意義。我國進(jìn)行電推進(jìn)的研究已經(jīng)有三十多年的歷史，先后有中國航天科技集團(tuán)公司五院510 所、八院 801 所、五院 502 所、中科院空間中心、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等科研院所和高校參與了電推進(jìn)的研究。其中五院 510 所和八院 801

4、所近年來開展了工程樣機(jī)的研制，已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，目前主要性能指標(biāo)已經(jīng)接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，具備了進(jìn)行工程應(yīng)用的基本條件。而電推進(jìn)系統(tǒng)要投入工程應(yīng)用，除了需要開展電推力器或電推進(jìn)系統(tǒng)本身的研究以外，還需要對電推進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)開展研究，主要是對應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)以后，對整星的布局、控制方案、能源、結(jié)構(gòu)、熱控、可靠性等各方面帶來的影響以及應(yīng)對方案，從而為我國下一步電推進(jìn)系統(tǒng)的工程應(yīng)用工作提供參考。3統(tǒng)和霍爾推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)。2.2 美國離子推

5、進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展歷程離子推進(jìn)系統(tǒng)的概念在 1960 年代初提出。經(jīng)過數(shù)年的研究，在 60 年代中期，一些學(xué)者就認(rèn)為這種技術(shù)已經(jīng)可以投入實際應(yīng)用，并計劃在 1970 年初 NASA 發(fā)射的 SERTII 任務(wù)進(jìn)行最后的驗證。這是離子推進(jìn)系統(tǒng)首次在軌進(jìn)行長時間測試。但是接下來的工作并不順利，1974 年 NASA 在 ATS-6 上攜帶的兩個銫離子推力器測試失敗，使人們意識到這項工作的難度，70 年代后期美國逐漸取消了對這項研究的資助。80 年

6、代以后，減小發(fā)射重量的要求愈加強(qiáng)烈，NASA 開始恢復(fù)了對離子推進(jìn)系統(tǒng)的研究，但在整個 80 年代進(jìn)展甚微，直到 1992 年 7 月才在 Eureca 衛(wèi)星上得到飛行驗證。大致可以把美國離子式電推進(jìn)的發(fā)展分為如下幾個階段[6,7,8,9]。a. 第一代離子推力器研制和試驗階段。分別成功研制和試驗了第一代銫接觸式離子推力器和第一代汞電子轟擊式推力器，多孔柵極替代金屬線柵極和使用空心陰極延長了推力器工作壽命。b. 改進(jìn)和擴(kuò)展離子推力器性能

7、階段。70 年代開展的工作主要是改進(jìn)和擴(kuò)展離子推力器性能，主要的進(jìn)展包括高開孔率壓盤形柵極的研制開發(fā)、放電室飛濺沉積物的控制方法和技術(shù)研究和推力器功率可調(diào)節(jié)能力實現(xiàn)等。汞推力器直徑由 5cm 擴(kuò)展到 150cm，推力器磨損試驗從 4000h 延伸到 15000h，同時試驗結(jié)果使人們大大降低了銫接觸推力器研制的積極性。c. 氙離子推力器研制階段。80 年代用氙推進(jìn)劑替代汞推進(jìn)劑，80 到 90 年代，環(huán)尖場放電室替代了發(fā)散場，后者的極靴、

8、陰極周圍離子剝蝕非常嚴(yán)重。環(huán)尖場不需要陰極處的極靴，磁場邊界也降低了離子損失，長壽命的氙空心陰極技術(shù)通過專項計劃(空間站等離子體接觸器)進(jìn)行了可靠性工藝、操作、試驗等工作而解決，13cm 和 30cm 的推力器可靠工作試驗時間達(dá)到 8000h。d. 氙離子推力器的初步應(yīng)用階段。從 1993～1998 年之間，先后按照飛行應(yīng)用規(guī)范鑒定了 XIPS-13、XIPS-25、NSTAR-30 離子式電推進(jìn)系統(tǒng)，1997 年以后這些電推進(jìn)系統(tǒng)相繼

9、在 Com-sat 衛(wèi)星(XIPS-13)、H-702 平臺衛(wèi)星(XIPS-25)和深空一號航天器(NSTAR-30)上獲得應(yīng)用并取得成功。e. 氙離子推力器的高速發(fā)展階段。自 1998 年至今，已經(jīng)有許多衛(wèi)星應(yīng)用 XIPS-13 和XIPS-25 推進(jìn)系統(tǒng)。將來幾年內(nèi)，NASA 將研制和發(fā)展更高推力密度的 30cm 推力器及亞千瓦級小型推力器。設(shè)計和制造技術(shù)將主要集中于進(jìn)一步減少推力器和電源處理器的質(zhì)量和成本。由于與離子推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)的

10、工作及參與單位非常多，這里無法對所有的工作一一介紹，我們針對美國離子推進(jìn)系統(tǒng)的歷次飛行試驗和主要的系統(tǒng)級地面驗證工作進(jìn)行了收集和整理。2.2.1 飛行試驗情況美國在離子推進(jìn)系統(tǒng)工程應(yīng)用前，共進(jìn)行了十次、十五臺離子推力器的飛行試驗。（1）661A 計劃，試驗 A1961 年 11 月，美國空軍授予 Electro-Optical Systems（光電系統(tǒng)公司）一項合同，為三個亞軌道飛行試驗開發(fā)一種采用銫作為推進(jìn)劑、推力為 8.9mN 的

11、接觸式離子推進(jìn)系統(tǒng)。這項電推進(jìn)空間試驗代號為 661A 計劃，由位于洛杉基的空軍空間系統(tǒng)司令部負(fù)責(zé)。這臺銫離子推力器與一個由 84 個多孔鎢片構(gòu)成的離子發(fā)生器陣列集成在一起，功率、推力、比沖分別為 0.77kW，8.9mN、7400s，粒子束引出的直徑為 7cm。中和器是一根金屬絲，置于粒子束之外。電能由 56V 的電池組提供。最長地面測試時間為 1230h。第一次亞軌道飛行試驗于 1962 年 12 月 18 日發(fā)射。在高壓電源第一次