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

1、1電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)研究 電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)研究潘海林、沈巖、毛威、丁鳳林（中國(guó)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(guó)外電推進(jìn)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，尤其是美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本等主要航天強(qiáng)國(guó)在電推進(jìn)技術(shù)空間應(yīng)用方面的成功范例，以及國(guó)外在電推進(jìn)應(yīng)用過(guò)程中遇到的問(wèn)題和應(yīng)對(duì)策略，通過(guò)對(duì)國(guó)外典型電推進(jìn)平臺(tái)的情報(bào)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(wèn)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(yàn)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(shì)，在先進(jìn)國(guó)家的衛(wèi)星平臺(tái)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(zhǎng)壽命通訊衛(wèi)星上以提高衛(wèi)星平臺(tái)性能外，電推進(jìn)更可以完成常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法完成的任務(wù)，如深空探測(cè)、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(duì)于未來(lái)的深空探測(cè)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)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(guó)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(duì)電推進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)開展研究，主要是對(duì)應(yīng)用電推進(jìn)系統(tǒng)以后，對(duì)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(lái)的影響以及應(yīng)對(duì)方案，從而為我國(guó)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(guó)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(guò)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(shí)際應(yīng)用，并計(jì)劃在 1970 年初 NASA 發(fā)射的 SERTII 任務(wù)進(jìn)行最后的驗(yàn)證。這是離子推進(jìn)系統(tǒng)首次在軌進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試。但是接下來(lái)的工作并不順利，1974 年 NASA 在 ATS-6 上攜帶的兩個(gè)銫離子推力器測(cè)試失敗，使人們意識(shí)到這項(xiàng)工作的難度，70 年代后期美國(guó)逐漸取消了對(duì)這項(xiàng)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(duì)離子推進(jìn)系統(tǒng)的研究，但在整個(gè) 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(yàn)證。大致可以把美國(guó)離子式電推進(jìn)的發(fā)展分為如下幾個(gè)階段[6,7,8,9]。a. 第一代離子推力器研制和試驗(yàn)階段。分別成功研制和試驗(yàn)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)等。汞推力器直徑由 5cm 擴(kuò)展到 150cm，推力器磨損試驗(yàn)從 4000h 延伸到 15000h，同時(shí)試驗(yàn)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(chǎng)放電室替代了發(fā)散場(chǎng)，后者的極靴、

8、陰極周圍離子剝蝕非常嚴(yán)重。環(huán)尖場(chǎng)不需要陰極處的極靴，磁場(chǎng)邊界也降低了離子損失，長(zhǎng)壽命的氙空心陰極技術(shù)通過(guò)專項(xiàng)計(jì)劃(空間站等離子體接觸器)進(jìn)行了可靠性工藝、操作、試驗(yàn)等工作而解決，13cm 和 30cm 的推力器可靠工作試驗(yàn)時(shí)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(tái)衛(wèi)星(XIPS-25)和深空一號(hào)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(lái)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(jí)小型推力器。設(shè)計(jì)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(wú)法對(duì)所有的工作一一介紹，我們針對(duì)美國(guó)離子推進(jìn)系統(tǒng)的歷次飛行試驗(yàn)和主要的系統(tǒng)級(jí)地面驗(yàn)證工作進(jìn)行了收集和整理。2.2.1 飛行試驗(yàn)情況美國(guó)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(tái)離子推力器的飛行試驗(yàn)。（1）661A 計(jì)劃，試驗(yàn) A1961 年 11 月，美國(guó)空軍授予 Electro-Optical Systems（光電系統(tǒng)公司）一項(xiàng)合同，為三個(gè)亞軌道飛行試驗(yàn)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(xiàng)電推進(jìn)空間試驗(yàn)代號(hào)為 661A 計(jì)劃，由位于洛杉基的空軍空間系統(tǒng)司令部負(fù)責(zé)。這臺(tái)銫離子推力器與一個(gè)由 84 個(gè)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(zhǎng)地面測(cè)試時(shí)間為 1230h。第一次亞軌道飛行試驗(yàn)于 1962 年 12 月 18 日發(fā)射。在高壓電源第一次