氙气在空间电推进的应用

1、1#氙气在空间电推进的应用从上世纪60年代，美国和苏联就开始了电推进技术的相关研究，并于上世纪80年代完成了电推力器工程样机的研制及飞行实验。到上世纪90年代末，电推力器开始在卫星上广泛应用。如今，电推进技术越来越成熟，向更高性能方向发展。传统的航天推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术，主要是指液体和固体化学推进。从1926年美国人戈达德(Goddard R. H.)研制成以液氧/汽油为推进剂的液体火箭发动机至今，化学推进已经有近80年的发展历史，目前其理论体系和应用技术基本成熟，发射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特点是可以提供大推力，一直

2、以来是航天领域使用最多的推 进技术，而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展，各国竞相出台新太空政策，人类又掀起了新一 轮以深空探测为标志的太空探索热潮，而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测的需 要。新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的，是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推进 的非化学推进。目前，世界各国正在竞相研究各种新型推进技术，以满足未来太空探索的需要，而电推进 就是目前各国开发的重点之一。目前，国际上广泛采用的电推进技术主要有两种。一种是离子发动机技术，其比冲约为30004100s；另一种是霍尔发动机技术，其

3、比冲约为15001600s。在电推进系统中，需要一种能将电能和机械能相互转化的媒介物质，学名为工质。氙气则是公认的工质。实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，依靠它在热机中的状态变化(如膨胀)才能获得功, 而做功通过工质才能传递热.在日常生活中，人们对于氙气的认识恐怕只停留在某些汽车品牌使用的氙气大灯上，白色的灯光似乎 代表着高端大气，不过这仅仅是对氙气较为浅显的认识。鲜为人知的是，在航天领域，离子电推进与传统 的化学推进相比，比冲要大 10倍。在宇航推进中，表征其性能优劣的主要指标就是推进技术的比冲，也就是消耗单位质量推进剂所能产 生的冲量大小。比冲越大，推进技术性能越高。对于同样的宇

4、航任务，电推进携带的推进剂约为化学推进 的十分之一，甚至更少。这样对于深空探测任务来说，电推进比化学推进更具优势。在加注氙气中，最棘手的就是如何保证氙气的纯度，不论是购买的氙气源纯度还是加注过程中的氙气纯度都需要保证。卫星推进系统中氙气浓度要求最低也要达到99.995%，其中的水氧含量均不能超过2ppm。ppm是百万分比浓度单位， 也就是说1升氙气中，水或氧的含量不能超过 0.002毫升。一旦超过这个限 值，容易造成电推力器阴极氧化，导致其寿命受损。在保证氙气源纯度的同时，还要保证加注前卫星电推 进系统、地面加注系统的纯度满足要求。地面氙气源的压力在 6Mpa左右，首先可以在自由压力的状态下将

5、氙气源落压填充到卫星中，但当氙气源和卫星压力平衡后，我们就需要想办法将氙气源增压。氙气的物理特性非常特殊，在加注过程中要避免 固态氙的出现；要保证整个加注过程中氙气的纯度；如果使用传统的增压泵机械加注方式，氙气会将机械 做功产生的动能转化为热能，令温度迅速上升。但是，卫星上氙气瓶的温度要求不超过45 C。不仅是温度会超标，温度迅速攀升会造成加注过程中氙气压力的不断增加，可能在氙气加注完成之前卫星内部的气压 就超过了设计值。近年来，在卫星研制领域，“电推进”可谓是不折不扣的热词。说它“热”，一方面是因为它为卫星 “减负”、“助力”，成为人类向更深更远太空进发的必备利器；另一方面，它正在以提高商业

6、卫星市场 竞争力的方式，深刻改变着卫星的市场格局。电推进应用情况介绍自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

7、应用快速发展阶段。美国波音公司在 BSS-601HP平台卫星上继续应用 XIPS-13离子电推进系统完成南北位保任务，2000年以来成功发射了 Galaxy4R、Galaxy10R、PAS9、DirecTV4S、Astra2C、PAS10、AsiaSat4、Galaxy13、Measat、 SES-7等10颗卫星，使得应用 XIPS-13离子电推进系统的卫星总数达到 18颗。波音公司继续在 BSS-702平台卫星上应用 XIPS-25完成全部位置保持任务，2000年以来成功发射了 AnikF1、PAS1R、XM1、XM2、Galaxy3C、AnikF2、XM3、Spaceway1、Spacew

8、ay2、XM4、WGS1、Spaceway3、 DIRECTV10、DIRECTV11、DIRECTV12、WGS2、WGS3、WGS4、WGS5 等 19 颗卫星，使得应用 XIPS-25 离子电推进系统的卫星总数达到20颗。2004 年美国空间系统牢拉公司在LS-1300平台上应用SPT-100霍尔电推进系统完成南北位保任务，自首发以来成功发射了SES5等10颗卫星。MBSatl、Telstar8、Thaicom4、NSS12、XM5、Telstar11N、SiriusFM5、QuetzSatl、SiriusFM6、欧洲阿斯特里姆公司在 EUROSTAR-3000平台上应用SPT-100和

9、PPS-1350霍尔电推进系统完成南北位 保任务，自 2004 年首发以来成功发射了Intelsat10-02、Inmarsat4-F1、Inmarsat4-F2、Inmarsat4-F3、Ka-Sat、YahSat1A、YahSat1B 等 7 颗卫星。欧洲泰丽斯-阿莱尼亚公司在 SPACEBUS-4000C平台上应用 SPT-100霍尔电推进系统完成南北位保任 务，自 2005 年首发以来成功发射了AMC12、AMC23、Giel2、EutelsatW2A、EutelsatW7、EutelsatW3B 等6颗卫星。俄罗斯应用力学联合体继续在MSS-2500等平台应用SPT-100系列霍尔电

10、推进系统完成全部位保任务，自 2000 年以来成功发射了 ExpressA2、SESAT、ExpressA3、ExpressA4(1R)、ExpressAM22、ExpressAM11、 ExpressAM1、ExpressAM2、ExpressAM3、ExpressAM33、ExpressAM44 等 11 颗卫星。俄罗斯能源设计局在 YAMAL-100平台卫星上应用 SPT-70霍尔电推进系统完成全部位保任务，2003年成功发射了 Yamal-201和Yamal-202等2颗卫星。美国洛马公司在 A2100M平台上开始应用 BPT-4000霍尔电推进完成南北位保任务，自2010年首发以来成

11、功发射了 AEHF-1、AEHF-2等2颗卫星，后续计划中还有2颗卫星待发射，4颗卫星在研制。欧洲最新ALPHABUS平台确定采用 Snecma公司的PPS-1350霍尔电推进系统完成南北位保任务，已经完成首发卫星电推进产品交付，计划于2013年发射。2007年启动的欧洲小型 GEO平台将采用SPT-100和HEMP-3050组合的电推进系统完置保持。中国DFH-3B试验卫星将采用 LIPS-200离子电推进系统完成15年南北位置保持任务，计划2015年发射。1998年10月美国发射的深空一号(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

12、飞行任务中离子电推进系统累计工作16265h，开关机200多次，共消耗氙气73.4kg，产生速度增量 4.3km/s。2003年5月日本发射的隼鸟号(Hayabusa)航天器应用4台卩-10微波离子电推进系统完成S类近地小行星丝川(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、消耗氙气47kg、产生速度增量 2.2km/s，单台推力器最长工作时间达到14830h、1805次开关。2003年9月欧洲发射智慧一号(SMART-1)航天器应用单台 PPS-1350霍尔电推进系统完成月球探测主推 进任务，200

13、5年完成了月球探测使命最终坠落月球表面。在整个飞行任务中电推进累计工作近5000h,由于推进系统的良好性能，使得航天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。2007年9月美国发射的黎明号(Dawn)航天器应用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月实现Vesta的轨道捕获，2012年9月完成为期1年的Vesta科学探测任务并离开，电推进累计工作25000h、消耗氙气262kg、产生速度增量7km/s。目前航天器正在奔向 Ceres的征途中，计划2015年到达。日本计划于2014年发

14、射的隼鸟二号(Hayabusa-2)航天器将继续采用 4台-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，航天器计划2017年到达1999JU3并采样，2020年返回地球。ESA和JAXA联合研制的水星探测贝布克伦布(Bepicolombo)航天器将应用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，航天器计划2015年发射，2021年到达水星。电推进系统在整个任务中提供不少于5km/s的速度增量，推力器累计工作20000h以上。加利福尼亚理工学院分析验证了用40kW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2020年中期实施。ESA正在论证采用

15、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。NASA正在开始进行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30kW，用1年时间完成从400kmLE0到地月L2的轨道转移，计划 2018年飞行。中国正在论 证应用LIPS-200+离子电推进系统完成近地小行星探测的技术方案。优势：为卫星瘦身增力正如发动机是汽车的核心一样，推进系统也是卫星的核心，它是卫星运行过程中动力的来源。随着科技的进步，推进技术的更新换代将为人类探索宇宙奥秘提供更加强大的动力引擎。因此，相较 于化学推进系统，在某些方面更具优势的电推进技术有着更广阔的应用空间和更可期的发展

16、前景。全电推进技术是完全采用电推进系统为航天器提供动力的一种新型设计技术，可以提升航天器性能、 寿命和飞行速度。电推进的应用对于航天科技的发展而言，在某种程度上可谓是一次技术革命。离子电推进系统和霍尔电推进系统是当下世界卫星研制领域的主要方向。相比以往航天器采用燃烧化 学燃料，排出炽热气体的推进方式，电推进技术采用喷出带电粒子或离子的新方式为卫星机动提供更充沛、 高效的动力源。现阶段，在轨运行的卫星上都配备一套电源系统，其主要依靠太阳能帆板获取能量，只要能获取太阳 能，供电系统就能维持卫星正常工作。而电推进系统的电源正是来自于卫星自带的这套系统。比如，离子电推进系统进行工作的方式是，卫星自带的

17、电源系统再通过二次电源进行电能转化，以适 应电推进系统的电压。电推进系统再利用电能对氙气等惰性气体进行加热、电离等，加速引出推进剂正离 子，使其形成高速射流而产生推力。就传统卫星而言，为了完成变轨、姿态调整和南北位置保持等任务，卫星需携带大量燃料，这不仅占 用空间，还大大增加了卫星自身重量。以我国目前通信卫星主要采用的东方红4号卫星平台为例，卫星重量达到4.8吨，其中燃料就需要 2个1400升的贮箱来容纳。但如果采用电推进系统，可节省燃料80%，使卫星瘦身至 1.8吨。卫星自身携带的干粮少了，多出来的空间可用来携带更多有效载荷。电推进整体优势就在于此， 这和汽车一个道理，如果汽车燃油经济性非常

18、好，我们便可用很低的油耗实现同样的里程。幼闊德 电推进技术为卫星带来的“利好”远不止于此。采用全电技术后，燃料携带量将不再成为卫星寿命的约束，卫星设计将突破目前的 15年寿命上限，1820年寿命卫星将不再遥不可及，用户可以得到更大的投资回报比。电推进系统的应用，还可以为卫星进行更精准的定位与控制。目前，虽然在航天领域广泛应用的化学 燃料推进器可以产生强大推力，将卫星从地面推进到外太空。但到了外太空后，由于卫星处于微重力环境， 需要很微小的推力，而推力较小的电推进系统就能满足精准定位与控制的要求。全电推进转移轨道变轨时间需要46个月，靠地面操作人员 24小时控制不太现实，只能靠卫星自主监测、自主

19、管理。在采用电推进技术之后，卫星长期运行的管理将更加智能，地面操作将更为容易，并且卫 星的运行安全和可靠会更有保证。运用电推进系统后，卫星能力也将更加强大。转移轨道变轨时一般需要1520千瓦的电能，进入同步轨道后，多余的电能可以提供给通信载荷，这样通信速度可以更快，连接的用户数量可以更多。现状：大规模应用有望实现当前，我国深空探测长远发展规划中包括了采样返回、木星探测和库伯带小行星探测任务。在现有运 载条件下依靠化学能火箭，完成这些深空探测任务困难极大。当人类开展深空探测需要向更加遥远的火星、小行星、银河系边缘时，不可能携带大量燃料，而电推 进系统就是必然选择。目前，国际宇航界已将电推进列为未

20、来十大尖端技术之一，并将其作为衡量未来大容量、长寿命卫星 先进性的重要“标杆”，大力发展电推进技术成为各航天大国的共识。随着技术的不断发展，电推进凭借其显著的优势已在国外卫星上成功实现了工程应用并走向成熟。2012年，美国完成了全电推进平台一一波音 702SP的设计，并已进入商业化发展的阶段。这一年波音 公司获得4颗全电推进的通信卫星合同。同年 8月，全电推进卫星通过关键设计评审。目前，波音公司已 累计获得了 8颗全电卫星合同。继波音公司之后，全球主要卫星制造商也纷纷推出了全电推进卫星。2014年7月，欧洲空中客车公司获得了 2颗全电卫星合同，今年 1月获得了第3颗卫星合同。同时，俄德合资的

21、Dauria公司也获得了 2颗全电卫星合同。德国 0HB公司的全电卫星宣布于 2018年 首飞。此外，美国轨道科学公司、劳拉公司、洛马公司，法国泰雷兹公司等也都开展了全电卫星的研制。2015年3月1日，美国SpaceX公司成功将世界首颗全电推进通讯卫星送入地球轨道。这颗由美国波音公司研制、用户为法国卫星电视公司Eutelsat和百慕大ABS电视台的卫星，摒弃了传统的化学燃料推进系统，配备了轻型、全电推进发动机。相关资料显示，目前国际上已发射和计划发射的全电推进系统航天器数量已经突破50颗。美国宇航局分析指出，在未来国际宇航发射中，采用电推进系统的航天器所占比例将进一步扩大。对一个行业来说，落后

22、就要被淘汰。全电推进技术的进步不仅是我国航天事业发展的需要，还是改变 卫星市场格局的必然，随着全电卫星的出现，一场卫星技术革命的战争已经打响。目前世界各国纷纷开展模式转型，推出了全电卫星，不光赢得了眼球，更赢得了市场和未来发展的先 机。我国发展全电推进技术势在必行，诸多选手同台竞技，谁将全电卫星研制的技术成果快速转化为工程 应用，及时通过在轨飞行验证，谁就能作为领先者占领市场。对于我国而言，一旦错失发展良机，市场被 先入者占领，留给我们的空间将非常有限。我国： 比肩世界航天强国 技术攻关从未止步航天发展靠技术引领。掌握核心技术，才能实现加速和弯道超车，让我国卫星技术成为市场中真正的 领跑者。令

23、人高兴的是，在全电卫星研制领域，我国与世界航天强国同时起步，并在全电卫星的关键技术上获 得重要进展。当前，我国研制应用的全电推进系统已达到国际先进水平，并将全面迈入工程应用阶段，满足我国通 信卫星系列平台、高轨遥感平台和深空探测器等发展需求。我国全电推进技术起步于上世纪60年代，主要针对离子电推进技术和霍尔电推进技术等开展研究。70年代初，510所成功研制出直径 80毫米的汞离子电推进系统，该成果于1987年获得国家科技进步一等奖。在之后数十年里，510所在电推进领域的研究不断取得突破。2007年，510所从工程样机起步，在不到5年的时间里，研制成功 200毫米离子电推进系统，走完了国外同阶段

24、耗时10年才走完的路。与510所一样在电推进领域不断开拓的还有六院801所。20世纪末，801所获得电推进技术原理性突破，实现霍尔推力器的稳定工作。801所电推进事业部助理工程师张敏表示，20世纪90年代中期，801所在国内率先开展了霍尔电推进技术研究。当前，已经形成完整的霍尔电推进技术研发技术体系。随着全电推进系统发展，我国相继研制成功具有自主产权的电推进系统及其核心单机产品，在微小气体流量的精确控制技术等领域实现了全面突破。2012年，502所研制的磁聚焦霍尔推力器成功采用了国际先进的第二代霍尔推进技术，与第一代相比 获得了更高的比冲、更长的寿命、更大的推力。同年10月，我国实践九号卫星发射升空，成功验证了