卫星推进系统的现状及发展趋势
第3章电推进系统
电推进又称为电火箭，它是把外部电能转换为推进剂喷射动能的火箭类型。根据把电能转换为推进剂动能的工作原理，电推进可分为电热型、静电型、电磁型、新型四大类，目前，同属静电类型的离子电推进和霍尔电推进的技术最成熟、应用也最广泛。由于突破了传统化学推进喷射动能受限于推进剂化学内能的约束，电推进很容易实现比化学推进高一个量级的比冲性能。在航天器上应用高比冲推进系统可以节省大量推进剂，从而增加航天器有效载荷、降低发射质量、延长工作寿命等。电推进除了具有高比冲的显著优势外，还具有推力调节方便、推力小、工作寿命长、安全性好、需要电能源等主要特点。
对于现代航天器而言，应用电推进的必要性和重要性越来越凸显。例如，商业通信卫星应用电推进后可以降低成本、提升性价比、延长工作寿命，所以电推进是赢得市场竞争的重要筹码；在深空探测领域，应用电推进可以降低成本、减小对发射窗口依赖程度、在现有条件下到达更远目标，因此它是目前和未来高效完成深空探测任务的利器；对于包括无拖曳控制、编队飞行、精确姿态和轨道控制等空间科学试验而言，电推进更是不可或缺的支撑和必备技术。
3.1 国外电推进发展及应用
3.1.1技术发展现状及趋势
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4个阶段：1902－1964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；1964－1980年为地面和飞行试验阶段，美国完成了汞离子电推进飞行试验，俄罗斯完成了SPT霍尔电推进飞行试验；1980－2000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投入应用，日本、德国等其他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。
当前国外电推进技术的发展现状及趋势可以归纳为7个方面。 1）正在形成系列化电推进产品。它包括美国L－3公司的XI P S离子系列、Busek公司的BHT霍尔系列、AMPAC－ISP公司的T霍尔系列、日本的μ微波系列、英国T离子系列、德国RIT射频系列、俄罗斯SPT霍尔系列等。
2）离子和霍尔推力器长寿命验证取得新突破。离子推力器XIPS－13和NSTAR－30的寿命验证达到30000h，NEXT的寿命验证已经超过50000h；霍尔推力器P PS－1350G的寿命验证达到10000h，BPT－4000的寿命验证超过20000h，磁屏效应为霍尔推力器的长寿命问题解决带来希望。
3）为满足轨道转移和深空探测等未来应用需求，电推进产品正在向高功率方向发展。除了传统的数百千瓦高功率磁等离子体动力电推进外，美国HiPEP离子推力器功率为34kW、德国RIT－45射频推力器预期功率35kW，GRCNASA－457霍尔推力器功率73kW，美国火箭公司的可变比冲磁火箭（VASIMR）类型电推进
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VX－200功率达到200kW。环型离子推力器和DS4G多级离子推力器已成为离子推力器实现高功率的主要技术途径，多通道霍尔推力器成为霍尔推力器实现高功率的主要技术途径。
L-3公司的XIPS-25零部件美国火箭公司的可变比冲磁火箭类型电推进VX-200
4）微小功率电推进进一步发展。除了场效应发射推进（FEEP）、脉冲等离子体推力器（PPT）等传统推力器外，德国RIT－2.5、Busek公司BFRIT－1、日本 μ－1等的功率只有数十瓦, 完全有可能取代场效应发射推进实现工程应用。
5）电推进新技术持续发展，包括离子和霍尔变异类型及混合类型、非传统类电推进新类型、不同推进剂类型等。其中的新技术类型包括：气体动力镜推力器、真空弧推力器、电动拖船、吸气电磁推进、螺旋波源无电极磁等离子体动力、双极PPT、无电极等离子体等，不同推进剂包括氪气、氮气、碘、镁、铋、纳米颗粒等。
6）国家和部门不断增多。从美国、俄罗斯、日本、德国、英国、法国、意大利等发达国家扩展到巴西、乌克兰、韩国、印度和以色列等发展中国家。每个国家电推进技术研究部门日益增加。
7）国际合作日益加强。1991年美国劳拉空间系统公司和俄罗斯火炬设计局联合成立国际空间技术公司向西方推广SPT－100电推进。2010年美国航空喷气公司和日本NEXC签署协议联合开发低功率离子电推进系统在美国的宇航市场。
3.1.2 航天器应用情况
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、脉冲等离子推力器等，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。应用电推进的航天器数量在快速增长,当前在轨运行的应用电推进的航天器大约100个，离子电推进累计工作时间接近2.0×105h，霍尔电推进累计工作时间接近1.0×105h。电推进的主要应用包括地球静止轨道位置保持、深空探测主推进、无拖曳控制、姿态控制、轨道转移等方面，其中静止轨道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。其应用领域如下。
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1）静止轨道通信卫星位置保持任务。美国波音公司在波音卫星系统－601HP （BSS－601HP）卫星平台应用XIPS－13离子电推进系统完成南北位保任务, 发射卫星数量1 8 颗；波音公司在波音卫星系统－702卫星平台卫星上应用XIPS －25完成全部位置保持任务，发射卫星数量22颗。美国劳拉空间系统公司在劳拉－1300（LS－1300）卫星平台上应用SPT－100霍尔电推进系统完成南北位保任务，发射卫星数量10颗；欧洲阿斯特留姆公司的欧洲星－3000（Eurostar－ 3000）卫星平台上应用SPT－100和PPS－1350霍尔电推进系统完成南北位保任务，发射卫星数量7颗；欧洲泰雷兹-阿莱尼亚公司在空间客车－4000C（SpaceBus－4000C）卫星平台上应用SPT－100霍尔电推进系统完成南北位保任务，发射卫星数量6颗；俄罗斯应用力学联合体继续在MSS－2500等卫星平台应用SPT－1 00系列霍尔电推进系统完成全部位保任务，发射卫星数量11颗；美国洛马公司在A2100M卫星平台上开始应用BPT－4000霍尔电推进完成南北位保任务，发射卫星数量3颗。欧洲最新“阿尔法”卫星平台（Alphabus）确定采用Snecma公司的PPS－1350霍尔电推进系统完成南北位保任务，已经完成首发卫星发射。2007年启动的欧洲小型地球静止轨道卫星平台将采用SPT－100和HEMP－3050组合的电推进系统完成位置保持。
2）深 空 探 测 航 天 器 主 推 进 任 务。1998年10月美国发射的深 空－1（DS－1）航天器应用单台NSTAR－30离子电推进系统完成小行星探测的主推进任务，在历时3年多的飞行任务中离子电推进系统累计工作16265h，产生速度增量4.3km/s。2007年9月美国发射的“黎明”（Dawn）小行星探测器应用3台NSTAR－30离子电推进系统完成对主带小行星中灶神星（Vesta）和谷神星（Ceres）科学探测的主推进任务，航天器于2011年7月进入灶神星的轨道，2012年9月完成为期1年的灶神星科学探测任务并离开，电推进累计工作2.5×104h、产生速度增量7km/s。目前该探测器已进入谷神星轨道。2003年5月日本发射的“隼鸟”（Hayabusa）小行星探测器应用4台μ－10微波离子电推进系统完成S类近地小行糸川（Itokawa）的采样返回的主推进任务，2010年6月返回舱成功降落到澳大利亚并回收。在整个飞行任务中离子电推进系统累计工作39637h、产生速度增量2.2km/s。日本于2014年12月3日发射的隼鸟－2（Hayabusa－2）小行星探测器将继续采用4台μ－10微波离子电推进系统完成1999JU3小行星采样返回的主推进任务，它计划2018年到达1999JU3并采样，2020年返回地球。
2003年9月欧洲发射的斯玛特－1（SMART－1）月球探测器应用单台PPS－1350霍尔电推进系统完成了月球探测的主推进任务，2005年完成了月球探测使命最终坠落月球表面。由于推进系统的良好性能，使得该探测器绕月球探测工作时间从原计划的6个月延长到了1.5年。欧洲航天局（ESA）和日本宇宙开发研究机构（JAXA）联合研制的“贝皮-科伦布”（Bepi-colombo）水星探测器将应用4台T6离子电推进系统把磁圈轨道器和星体轨道器送入水星轨道，它计划2015年发射，2021年到达水星。加利福尼亚理工学院分析验证了用40k W电推进完成近地小行星捕获并转移到绕月轨道的可行性，计划 于 2 0 2 0 中 期 实 施 。 欧洲航天局正在论证采用太阳能电推进和同位素核能电推进组合完成距离太阳200AU进行太阳和星际探测的可行性。美国航空航天局（NASA）正在实施针对载人深空探测太阳电推进系统的飞行验证计划,电推进总功率30k W,用1年时间完成从400km低轨道到地月L2的轨道转移,计划2018年飞行。
3）静止轨道卫星的轨道转移任务。波音公司在波音卫星系统－702卫星平台上已经实施了应用XIPS－25离子电推进系统完成最终静止轨道轨道圆化的部
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分轨道转移任务,其中化学推进把卫星送入近地点约30000km、远地点约42000km、倾角0°的中间椭圆轨道，电推进在1.5个月内把卫星送入地球静止轨道，截止2011年5月已经应用于16颗卫星。俄罗斯在2003年发射的亚马尔－201、202（Yamal－201、202）卫星上应用SPT－70电推进完成了部分轨道转移。在2001年7月发射的欧洲“阿蒂米斯”（ARTEMIS）卫星上，由于运载上面级故障卫星未能进入预定轨道，用电推进系统经过18个月轨道转移最终到达同步轨道并定点，首次证明了电推进系统修复轨道错误的能力。在2010年8月发射的洛马公司先进极高频－1（AEHF－1）卫星上，发生了卫星双组元化学推进故障，在这种情况下，应用2台BPT－4000推力器同时工作，在14个月内完成了几乎全部的轨道转移任务。基于先进极高频－1卫星的经验，洛马公司在先进极高频－2卫星上直接实施了电推进系统完成大部分轨道转移的应用策略。2012年波音公司实现了波音卫星系统－702SP平台4颗全电推进卫星的商业定货，其中ABS－3A和“欧洲通信卫星115西B”等2颗卫星已于2015年3月发射,该卫星采用XIPS－25离子电推进系统完成全部轨道转移和位置保持等任务，几乎完全取消了化学推进系统。目前欧洲、俄罗斯等都已经开始全电推进卫星的研制计划。
4）科学观测与试验航天器任务。2009年欧洲发射的“地球重力场和海洋环流探测卫星”（GOCE）应用2台T5离子电推进系统完成240km高度轨道飞行的大气阻尼精确补偿（无拖曳控制），在2年内绘制出了高精度的全球重力场分布图，截止2012年底电推进系统累计工作24000h。日本计划2015年发射的“超低轨道高度试验技术卫星”（SLATS）采用了改进型IES－12离子电推进系统完成250km高度大气阻尼补偿。计划于2017年发射的“利萨”（LISA）探路者航天器将采用美国Busek公司研制的胶体电推进和意大利ALTA公司研制的场效应发射推进电推进完成超精确无拖曳控制任务。
5）其他应用及飞行试验。2000年11月美国发射地球观测卫星－1（EO－1）成功应用了脉冲等离子体推力器完成精确姿态控制任务。2002年9月在日本“数据中继试验卫星”（DRTS）上飞行应用了直流电弧电推进进行位置保持。2007年3月发射的空军协会猎鹰卫星－3（Falcon Sat－3）小卫星应用了Busek公司研制的微脉冲等离子体推力器进行姿态控制。2006年12月发射的战术卫星－2（Tac Sat－2）和2010年11月发射的猎鹰卫星－5小卫星上成功应用BHT－200霍尔电推进系统完成轨道维持任务。2010年4月发射的印度空间研究组织（ISRO）通信卫星— 地球静止卫星－4（GSAT－4）应用了自研和引进组成的霍尔电推进系统进行南北位保。迪拜卫星－2（Dubai Sat－2）采用韩国7m N霍尔推力器和日本微波中和器组合进行飞行试验。
3.2 我国电推进技术发展与应用
3.2.1技术发展
我国电推进技术研究开始于中国科学院电工研究所和兰州空间技术物理研究所，目前国内从事电推进技术研究和产品研制的主要单位包括：兰州空间技术物理研究所、上海空间推进研究所、北京控制工程研究所、西北工业大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等。我国电推进技术发展历史可以用以下标志性事件概括：①1967年中科院电工研究所开展了PPT电推进研究，1974年兰州空间技术物理研究所开展汞离子电推进研究；②1978年兰州空间技术物理研究所
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