4先进空间推进技术发展思路

先进空间推进技术发展思路 上海空间推进研究所 张民庆洪鑫 中国宇航学会液体推进专委会暨集团科技委液体及特种推进专业组研讨会2014 10 北京 1 前言2 国外发展情况3 国内进展情况4 后续发展重点分析5 结论 主要内容 1 前言 1 前言 定义及分类 定义空间推进是指用于航天器轨道转移和姿态控制 以及运载器 上面级 武器的辅助控制和机动的推进 空间推进在航天器上主要作用为轨道机动 位置保持 姿态控制 动量轮卸载 阻力抵消等 轨道机动要消耗较多推进剂 姿态机动要求冲量小 一致性好 响应快 因此要求轨控发动机比冲高 姿控发动机冲量小而准确 1 前言 定义及分类 一般分类化学推进 冷气 液化气 热气 单组元 双组元 固体 固液电推进 霍尔 离子 电阻 电弧加热 脉冲等离子 磁等离子 变比冲磁等离子等热推进 太阳热 核热等新概念推进 太阳帆 电帆 磁帆 系绳 电磁发射等 1 前言 典型比冲范围 冷气 60 70s 热气90 130s 100 单组元 220 230s 无毒240 265s 20 双组元 280 325s 低温345 375s 15 电弧加热 500s热推进 500 1000s霍尔 1500 7000s离子 2000 10000s大功率MPD VASIMR 5000s无工质推进 比冲无穷大 2 国外发展情况 2 国外发展情况 NASA空间推进路线图与优先级 重点发展4方面技术大功率电推进技术 0 1 1MW低温推进剂贮存和转移技术 1年在轨核热推进 核燃料 反应堆 控制 液氢泵 900s比冲敏捷微型卫星微推进技术 100kg卫星 2012年发布 2 国外发展情况 单组元推进 Aerojet1N 22NHAN单组元推力器2012年 美国Aerojet公司采用美国空军研究实验室提供的HAN基推进剂 以及自主研发的催化剂 实现了发动机连续工作600s 最长累计工作41400s 2012年8月 NASA启动了绿色推进剂飞行演示任务项目 Aerojet公司在Ball公司航天器平台上演示验证了1NHAN基发动机 预计2015年飞行 2 国外发展情况 单组元推进 欧洲1NADN单组元推力器欧洲瑞典空间公司的ADN发动机在PRSIMA 棱镜 卫星上进行了搭载演示飞行试验验证 美国NASA已经引进该技术 2 国外发展情况 双组元推进 Aerojet液氧 甲烷100磅和5500磅发动机Aerojet研制了100磅液氧 甲烷空间姿控发动机 于2012年完成了高空模拟试验 能够在宽入口条件范围内可靠点火 并具备精确脉冲工作能力 最小脉宽达40ms 比冲达到了NASA合同要求317s 5500磅发动机是行星着陆器上升发动机 采用挤压供应系统 在白沙试验场进行了高空试车 累计工作时间为187s 比冲达到350s 2 国外发展情况 双组元推进 马歇尔中心15磅 73N 液氧 甲烷姿控发动机马歇尔中心研制的15磅液氧 甲烷姿控发动机用于 梦神 小行星着陆器姿态控制 并于2013年进行了多次飞行试验 验证了液氧 甲烷用于姿控动力的可行性 欧洲30KN液氧 甲烷发动机欧洲30kN液氧 甲烷发动机用于 织女星 小型运载器上面级的后续发展型 该发动机2013年完成了试验模型机设计以及部分组件的试验考核 2 国外发展情况 欧美电推进 深空探测采用电推进作为主推进 例如美国的 深空一号 黎明号 航天器 日本的 隼鸟号 航天器 欧洲的SMART 1月球探测器 低轨道卫星可作为轨道保持 精确控制用 例如美国的TacSat2 欧洲的GOCE卫星 以色列Venus卫星 2 国外发展情况 欧美电推进 地球同步轨道卫星电推进在广泛应用于南北位保的基础上 扩展执行部分轨道提升任务 某些应用场合并向全电推进方向发展 例如 美国A2100M平台采用Aerojet的BPT 4000霍尔推力器执行轨道转移和位置保持任务 欧美等提出全电推进平台方案 2 国外发展情况 全电推进 波音公司702SP平台2012年3月 波音宣布正在开发中小型全电推进通信卫星平台 并已获得了4颗卫星研制合同 卫星发射重量不超过2000kg 氙气加注量可达400kg 可承载500kg 3 8KW功率的载荷 寿命15年 2 国外发展情况 全电推进 洛马公司A2100平台的升级2013年9月 洛马公司宣布正在进行A2100平台改造 其中一项重点内容就是实现全电推 采用更大推力的霍尔推力器 使卫星入轨时间比其它公司的全电推卫星减少一半 2 国外发展情况 全电推进 德国OHB公司 Electra平台2013年10月 OHB与SES公司联合开发全电推卫星平台Electra 首颗卫星计划在2018年发射 平台发射重量约2 3t 功率8kW 载荷重量700kg 初步考虑配置4台5kW级霍尔推力器 Electra全电推进平台推力器初步布局 SmallGEO平台 2 国外发展情况 全电推进 Astrium公司 劳拉空间公司也宣布已开展全电推通信卫星平台开发计划中的NASA的OLEV航天器 美国空军联合ATK公司VIVISAT公司GEO轨道服务器广泛采用全电推进平台实现 2 国外发展情况 大功率电推进 2012年美国NASA的空间推进路线图指出 美国将在未来20年内应用50kW 100kW 甚至MW级大功率电推力器 NASA格林研究中心已经完成7kW的NEXT离子推力器50000h寿命考核 进行了100kW大功率霍尔推力器点火试验 戈达德与JPL将联合开发15kW的霍尔电推进 密歇根大学正在研制三通道100kW级霍尔推力器 俄罗斯火炬设计局 中央机械研究院 欧洲SNECMA和Alta公司正在研制20 30kW级的大功率霍尔推力器 2 国外发展情况 大功率电推进 对于深空探测的近期任务目前主要依赖于太阳能驱动的大功率电推进 未来 核电装置配合大功率电推力器将能够承担更广泛的任务 NASA的规划2014年实现30kW电推进进行轨道转移能力验证 2018年实现100kW电推进系统的在轨应用 2022年实现500kW电推进系统的空间货运 2 国外发展情况 太阳帆推进 日本 伊卡洛斯 金星探测器世界上第一个太阳帆驱动深空探测器 质量315kg 2010年5月20日发射 太阳帆由厚度0 0075mm的聚酰亚胺薄膜制成 对角线长20m 通过控制液晶颜色改变阳光散射率 从而实现转向 2010年12月8日 飞越金星 NASA开展了技术研究 重点是在地面真空试验 试验了其展开技术 2 国外发展情况 太阳热推进 太阳热推进利用聚集的太阳光加热工质 使工质温度升高 热膨胀喷出气流产生推力 系统主要由聚能器 热交换器 推力器以及工质存储与供应系统组成 目前 马歇尔中心开发出4m 6m的聚能器 能量转换效率达到50 60 系统采用液氢作为推进剂 已经验证了液氢在空间的30天存储 推力器推力2 5 10N 比冲700 860s 温度2700 3000K 2 国外发展情况 核热推进 美国从1955年以来实施了多个发展计划 在1955 1968年间投资了15亿美元建造并试验了超过20种核火箭反应堆 主要采用铀 235燃料 氢气推进剂 石墨慢化剂和铍反射剂 近期 围绕登陆火星和小行星 美国重燃对核推进的兴趣 认为核推进可以作为深空探测的主推进 马歇尔中心开展了 核低温推进级 NCPS 项目 该推进级可用于未来的太空发射系统 NCPS源于 NERVA 计划 但将得益于21世纪新技术 实现更高的堆芯温度和推重比 2 国外发展情况 核电推进 目前国际上开展核电推进技术研究的国家和地区主要是美国 俄罗斯和欧洲 美国 俄罗斯从20世纪70年代起就开始论证以载人火星探测 星际货运等为目标的核电推进空间飞行任务 并开展核电推进技术的初步研究 2000年以后 美国和欧洲对核电推进技术和应用的研究力度明显加强 对载人深空探测的任务规划 任务规模和技术需求等有了较为明晰的认识 并有效牵引了核电推进技术的研究 2 国外发展情况 核电推进 美国2003年 布什批准了NASA提出的 普罗米修斯 计划 该计划将木星冰覆卫星轨道器 JIMO 任务点名作为其首个研究项目 核电推进以其独有的方式促进了这次任务 2006年 JIMO计划调整 重点转向用核反应堆执行月球表面任务 2010年美国针对2035年左右的火星探测任务 详细比较了利用50kW 500MW电推进执行30 250天的地火轨道转移的不同轨道设计 并估算了不同情况下的有效载荷能力 针对核电推进空间探测需求 NASA提出了一种新的大功率核电推进 核电推进 空间飞行器方案 以满足载人火星任务的需求 2 国外发展情况 核电推进 欧洲欧洲从2009年开始进行了为期3年的核电推进 HighPowerElectricPropulsion HiPER 计划 针对未来大载荷空间运输和深空探测任务 进行大功率电推力器和高效大功率太阳电池阵的研制 并对200kW核电源技术进行了初步研究 2 国外发展情况 核电推进 俄罗斯前苏联 俄罗斯的Arsenal设计局的核电推进系统已在卫星上已进行过成功试验 验证了核电推进系统空间工作的可行性 2009年 梅德韦杰夫发表声明 俄罗斯将发展太空核飞行器 计划在2012年完成兆瓦级核电推进 核电推进 系统概念图 2015年开始建造 2018年核飞行器将做好发射准备 3 国内进展情况 3 国内进展情况 系统技术 CE 3探月着陆器801所研制了国内首个变推力空间推进系统 于13年12月成功实现了月面着陆 其中 11所设计了国内首个7500N变推力发动机 801所研制了570L复合材料缠绕金属膜片贮箱等产品 突破了减重 高精度混合比控制和均衡排放控制等关键技术 3 国内进展情况 系统技术 星箭一体空间推进系统在863支持下 801所研制出了首套星箭一体推进系统 具有轻质 高压 快响应 预包装特点 采用了国际上独创的轻质 全金属 球型 双组元 双膜共体贮箱 2013年取得发射和在轨飞行成功 3 国内进展情况 系统技术 推进剂均衡排放和混合比控制技术801所分别在多个型号的推动下 开展了基于PGS的相关研究工作 经地面试验验证 剩余量测量精度 并联贮箱均衡排放指标均可达到要求 502所在预研和型号的支持下 也开展了相关研究工作 推进剂综合利用效率大大提高 801所还开展了氧燃独立可控供气法调节混合比的技术 分别在天宫一号 实践15号飞行器上得到了应用 达到了良好效果 3 国内进展情况 系统技术 新型增压技术 气动增压泵801所开展了基于气动泵的新型增压技术研究工作 可实现在轨多次启动 轨控发动机高室压高性能 姿轨控统一供应 3 国内进展情况 系统技术 化学与电推进混合模式推进系统近年来 502所开展了混合模式推进系统论证 关键系统技术攻关 关键单机研制等工作 已经形成了多套混合模式推进系统方案 全电推进卫星系统 启动地面演示项目五院通信卫星事业部针对高轨通信卫星平台组织相关单位正在开展地面演示验证项目研究 3 国内进展情况 系统技术 可重复使用飞船推进系统在五院载人航天总体部的支持下 801所开展了新一代飞船返回舱可重复使用推进系统的研制攻关 目前已完成可重复使用推进系统方案论证 初步方案设计 系统采用模块化设计 充分考虑推进剂快速加注 推进系统快速检测 预计2018年飞行 3 国内进展情况 空间补加与燃料站技术 推进剂补加与增压气体回用技术801所针对天宫二号和空间站核心舱研制了膜盒贮箱 压气机和浮动断接器 压气机实现贮箱的增压气体重复使用 膜盒贮箱具备多次接收推进剂的能力 经过几年的攻关 突破了关键技术 并完成了多轮系统补加试验 3 国内进展情况 空间补加与燃料站技术 在轨服务和太空燃料站技术八院805所 801所 和五院钱学森实验室 502所 牵头 在科工局项目支持下 分别开展了在轨服务和太空燃料站研究 801所配合805所研制了针对表面张力贮箱的推进剂补加地面演示系统 502所配合钱学森实验室 并在863 704课题支持下 研制了适用于燃料补给的贮箱 加注泵 高精度流量计等产品 期望在 十二五 期间能够实现该技术的在轨试验验证 3 国内进展情况 低温推进剂在轨贮存技术 低温推进剂在轨贮存与管理技术针对载人登月着陆器和轨道转移器 国内开展了低温推进剂在轨贮存与管理技术研究 另外 国内805所 801所 哈工大 清华 上海交大 西安交大都在开展这方面的研究 研究将重点规划了遮挡防辐射热流结构与材料 变密度多层隔热材料 VD MIL 低温隔热支撑结构与材料 PODS 热力学排放 TVS 蒸汽冷却屏 VCS 流体混合 制冷机等技术发展思路 3 国内进展情况 单组元推进技术 无毒单元HAN推进技术在863支持下 801所以新一代飞船等为应用对象开展了HAN基单元推进技术研究 分别开展了1N 5N 60N推力器的推力室 推进剂 催化剂 高温材料等研究工作 1 1N 5N发动机实现了200 启动 一次连续工作时间2000s 累计稳态工作时间20000s 累计脉冲工作50000余次 2 60N比冲224 225s 温启动温度120 最长单次工作时间600s 累计工作时间1400s 3 计划首先将用于快响卫星 运载火箭辅助推进和新一代飞船返回舱 3 国内进展情况 单组元推进技术 无毒单元ADN推进技术在863支持下 502所开展了ADN基1N单元推力器技术研究 目前 比冲223s 温启动温度180 最长单次工作时间100s 累计工作时间1374s 最小脉冲100ms 脉冲次数6160次 3 国内进展情况 双组元推进技术 二代490N发动机飞行第二代490N发动机于2012年5月 完成首次飞行 采用了铌钨合金材料及其相应的硅化物涂层 真空比冲达315 318s 累计工作寿命25000秒以上 三代490N发动机加快研制针对两种推力室材料 铼 铱 钽十钨 开展研究 完成了原理样机研制 其真空比冲达到了323s 3 国内进展情况 双组元推进技术 7500N变推力发动机六院 11所设计 研制了探月着陆器用7500N变推力发动机 5 1变比 采用针栓式喷注器 经历了着陆考核 取得了圆满成功 3 国内进展情况 双组元推进技术 二代490N成果推广应用 高性能25N发动机基于铌钨材料涂层体系的25N双元发动机成功完成了实践15号飞行器飞行试验 真空比冲达300s 累计点火时间3万多秒 累计工作次数22万次 后续将用于多星上面级 探月工程三期等项目 1000N变轨发动机2014年1月在101所完成了高空热试车 真空比冲达314s 燃烧室温度最高1266 3 国内进展情况 双组元推进技术 750N变轨发动机近期 801所针对东五卫星平台研制的750N发动机在北京101所完成了全尺寸产品高空模拟试车 13次启动 累计点火时间1060秒 比冲315 3s 喉部温度1300 之后开展了改进设计 预计比冲大于318s 3 国内进展情况 双组元推进技术 5KN挤压式再生冷却发动机801所针对火箭上面级动力系统 研发了5KN再生冷却发动机 并完成了摇摆高空热试车 3 国内进展情况 双组元推进技术 空间高性能低温LOX LCH4发动机在863的支持下 801所开展了LOX LCH4发动机点火技术研究 目的是探索低温液氧 液甲烷轨姿控发动机可靠 重复 长寿命的点火技术方案 2014年完成了点火试验 验证了电火花和激光点火的可行性 同时开展了低温推进剂空间长期贮存技术的研究 3 国内进展情况 双组元推进技术 高室压复合材料3000N发动机多次飞行801所研制 室压3 7MPa 采用C SiC复合材料 与头部采用焊接连接方式 2011年在XX 19上首飞成功 复合材料技术以及与金属焊接连接技术得到较充分验证 3 国内进展情况 电推进技术 SJ 9A演示验证卫星2012年11月在实践9A卫星上搭载了电推进系统 验证了801所霍尔电推进技术和510所离子电推进技术 均完成了首次在轨工作 启动200多次 累计工作时间超过1800分钟 3 国内进展情况 电推进技术 在研工程任务801所 承担空间站电推进系统研制任务 目前开展了80mN霍尔推力器方案阶段研制 主要性能指标已达到要求 完成了推力器的生产 力学环境试验 累计500小时的寿命试验 配套的阴极寿命试验达到1 5万小时 处于国际一流水平 510所 针对东3B平台开展了离子电推进应用研究 目前 推力器 电源处理单元 气瓶等已完成鉴定产品研制 推力器 电源处理单元参加了总体组织的羽流试验 EMC试验 太阳辐照热平衡试验等大型试验 3 国内进展情况 电推进技术 预研项目 801所 HET 300M多模式霍尔电推进 针对全电推进平台 801所在 十二五 开展了大推力 高比冲多模式电推进技术研究 推力器实测性能指标为 大推力模式下功率4 5kW 推力300mN 比冲1888s 效率61 8 高比冲模式下功率2 2kW 推力89 5mN 比冲3003s 效率59 9 推力器的各项性能指标达到指标要求 并达到国际先进水平 快启动霍尔电推进技术 将霍尔电推进启动时间由目前的数分钟变为1s以内 满足快响应任务需求 还在开展50kW 2N大功率霍尔推力器 场发射电推进等研究 3 国内进展情况 电推进技术 预研项目 510所 LIPS 300离子电推进 针对东5卫星平台 全电推进卫星平台自主投资研制了LIPS 300离子推力器 处于原理样机阶段 LIPS 100离子电推进 针对重力梯度卫星无拖曳飞行任务的需求 研制了该推力器 技术指标为推力1mN 15mN连续可调 功率 470W 比冲400s 3000s 推力调节分辨率12uN LIPS 400离子电推进 科工局项目 该项目完成后拟达到的技术指标为 功率 7 0kW 比冲 4500s 推力 200mN 效率 65 3 国内进展情况 电推进技术 新研项目电推进羽流研究和MPDT电推进 北航 北航在973项目支持下开展了电推进羽流效应研究 同时 开展了6kW大功率磁等离子电推力器研究 已经完成原理样机点火 磁聚焦霍尔电推进 哈工大 哈工大在霍尔磁聚焦和氪推进剂应用方面具有特色 VASIMR 在863支持下 西安11所开展了研究 其它 国防科大 北理工在PPT 大连理工在螺旋波等离子 上海交大 中科院力学所在FEEP 西工大在微波等离子开展了相关研究 3 国内进展情况 微推进技术 冷气和液化气推进国内已经有相对成熟的技术 以及飞行产品 激光推进装备学院近年围绕微推力激光烧蚀推力器取得了进展 研制了uN级扭摆测量系统 MEMS推进国内多家单位开展了MEMS微推进研究 3 国内进展情况 新概念推进技术 太阳热推进在863支持下 哈工大 南航 国防科大分别开展了太阳热推进技术研究 重点围绕光线聚焦系统 加热工质系统开展了仿真和实物原理验证 核电推进在总装支持下 801所和510所分别开展 空间大功率电推进总体技术研究 项目研究 此外 中核集团原子能研究院反应堆工程所 401所 等三家单位开展了40kW电功率的月球表面用核电源技术研究 3 国内进展情况 新概念推进技术 太阳帆推进805所在科工局项目支持下 开展了太阳帆推进技术研究 重点对帆材料 展开机构 支撑结构 推力矢量控制方式进行了原理样机级的探索研究 计划研制150m 150m的帆 电帆推进系统2013年 502所获得了总装探索一代项目 推力矢量可调的电场虚拟帆推进技术研究 的支持 开展了无工质电帆推进技术基础理论和方法研究 4 后续发展重点分析 4 后续发展重点分析 推进系统 针对未来发展 存在一系列推进分系统技术需要持续支持发展 包括 围绕空间服务的推进剂补加系统技术 围绕电推进应用的化学 电混合推进系统技术 全电推进系统技术 围绕未来更高比冲的低温双元推进系统技术 4 后续发展重点分析 单组元推进 基于HAN基和ADN基推进剂的单元推进技术打开了技术发展的一扇大门 具有操作使用安全和提高比冲的潜力 HAN基和ADN基推进剂具有低蒸汽压 低毒性 因此地面使用操作安全 方便 常规肼推进比冲处于220 230s水平 HAN和ADN基推进剂比冲具有提高到265s的潜力 另外 推进剂密度也比肼高 可以减轻贮箱质量 因此 这类单组元推进系统是下一代单元推进系统的发展重点