空間電推進技術及應用新進展

真空電子技術 張天平 蘭州空間技術物理研究所

  在系統調研2000年以來國內外空間電推進技術及應用進展的基礎上,詳細介紹了電推進在GEO衛星位置保持和軌道轉移、深空探測主推進、科學觀測和試驗等領域的空間應用情況,分別給出了離子電推進、霍爾電推進和其他電推進類型的新研產品及主要性能,對電推進新技術發展情況進行了概要性的介紹,最后對空間電推進技術及應用的新進展給出了簡要總結和評述。

1、引言

  自1902年俄羅斯的齊奧爾科夫斯基和1906年美國的哥達德博士分別提出電推進概念以來,電推進技術發展已經走過了一個多世紀的歷程,大致分四個階段:1902年~1964年為概念提出和原理探索階段,美國、英國、德國分別研制出離子電推進樣機,俄羅斯研制了霍爾電推進樣機;1964年~1980年為地面和飛行試驗階段,美國完成汞離子電推進飛行試驗,俄羅斯完成SPT霍爾電推進飛行試驗;1980年~2000年為航天器開始應用階段,俄羅斯的霍爾電推進和美國的離子型電推進相繼應用,日本、德國等其它國家的電推進也開始飛行試驗;2000年至今為電推進技術和應用快速發展階段。在系統調研2000年以來國內外空間電推進應用和技術進展的基礎上,從電推進應用、新產品研制、新技術研究等方面對電推進技術新進展進行了系統介紹和簡要評述。

2、電推進應用情況介紹

2.1、GEO衛星位置保持

  美國波音公司在BSS-601HP平臺衛星上繼續應用XIPS-13離子電推進系統完成南北位保任務,2000年以來成功發射了Galaxy4R、Galaxy10R、PAS9、DirecTV4S、Astra2C、PAS10、AsiaSat4、Galaxy13、Measat、SES-7等10顆衛星,使得應用XIPS-13離子電推進系統的衛星總數達到18顆。

  波音公司繼續在BSS-702平臺衛星上應用XIPS-25完成全部位置保持任務,2000年以來成功發射了AnikF1、PAS1R、XM1、XM2、Galaxy3C、AnikF2、XM3、Spaceway1、Spaceway2、XM4、WGS1、Spaceway3、DIRECTV10、DIRECTV11、DIRECTV12、WGS2、WGS3、WGS4、WGS5等19顆衛星,使得應用XIPS-25離子電推進系統的衛星總數達到20顆。

  美國空間系統牢拉公司在LS-1300平臺上應用SPT-100霍爾電推進系統完成南北位保任務,自2004年首發以來成功發射了MBSat1、Telstar8、Thaicom4、NSS12、XM5、Telstar11N、SiriusFM5、QuetzSat1、SiriusFM6、SES5等10顆衛星。

  歐洲阿斯特里姆公司在EUROSTAR-3000平臺上應用SPT-100和PPS-1350霍爾電推進系統完成南北位保任務,自2004年首發以來成功發射了Intelsat10-02、Inmarsat4-F1、Inmarsat4-F2、Inmarsat4-F3、Ka-Sat、YahSat1A、YahSat1B等7顆衛星。

  歐洲泰麗斯-阿萊尼亞公司在SPACEBUS-4000C平臺上應用SPT-100霍爾電推進系統完成南北位保任務,自2005年首發以來成功發射了AMC12、AMC23、Giel2、EutelsatW2A、EutelsatW7、EutelsatW3B等6顆衛星。

  俄羅斯應用力學聯合體繼續在MSS-2500等平臺應用SPT-100系列霍爾電推進系統完成全部位保任務,自2000年以來成功發射了ExpressA2、SESAT、ExpressA3、ExpressA4(1R)、ExpressAM22、ExpressAM11、ExpressAM1、ExpressAM2、ExpressAM3、ExpressAM33、ExpressAM44等11顆衛星。

  俄羅斯能源設計局在YAMAL-100平臺衛星上應用SPT-70霍爾電推進系統完成全部位保任務,2003年成功發射了Yamal-201和Yamal-202等2顆衛星。

  美國洛馬公司在A2100M平臺上開始應用BPT-4000霍爾電推進完成南北位保任務,自2010年首發以來成功發射了AEHF-1、AEHF-2等2顆衛星,后續計劃中還有2顆衛星待發射,4顆衛星在研制。

  歐洲最新ALPHABUS平臺確定采用Snecma公司的PPS-1350霍爾電推進系統完成南北位保任務,已經完成首發衛星電推進產品交付,計劃于2013年發射。2007年啟動的歐洲小型GEO平臺將采用SPT-100和HEMP-3050組合的電推進系統完置保持。中國DFH-3B試驗衛星將采用LIPS-200離子電推進系統完成15年南北位置保持任務,計劃2015年發射。

2.2、深空探測主推進

  1998年10月美國發射的深空一號(DS-1)航天器應用單臺NSTAR-30離子電推進系統完成小行星探測的主推進任務,在歷時3年多的飛行任務中離子電推進系統累計工作16265h,開關機200多次,共消耗氙氣73.4kg,產生速度增量4.3km/s。

  2003年5月日本發射的隼鳥號(Hayabusa)航天器應用4臺μ-10微波離子電推進系統完成S類近地小行星絲川(Itokawa)的采樣返回的主推進任務,2010年6月返回艙成功降落到澳大利亞并回收。在整個飛行任務中離子電推進系統累計工作39637h、消耗氙氣47kg、產生速度增量2.2km/s,單臺推力器最長工作時間達到14830h、1805次開關。

  2003年9月歐洲發射智慧一號(SMART-1)航天器應用單臺PPS-1350霍爾電推進系統完成月球探測主推進任務,2005年完成了月球探測使命最終墜落月球表面。在整個飛行任務中電推進累計工作近5000h,由于推進系統的良好性能,使得航天器繞月球探測工作時間從原計劃的6個月延長到了1.5年。2007年9月美國發射的黎明號(Dawn)航天器應用3臺NSTAR-30離子電推進系統完成對主帶小行星中灶神星(Vesta)和谷神星(Ceres)科學探測的主推進任務,航天器于2011年7月實現Vesta的軌道捕獲,2012年9月完成為期1年的Vesta科學探測任務并離開,電推進累計工作25000h、消耗氙氣262kg、產生速度增量7km/s。目前航天器正在奔向Ceres的征途中,計劃2015年到達。

  日本計劃于2014年發射的隼鳥二號(Hayabusa-2)航天器將繼續采用4臺μ-10微波離子電推進系統完成1999JU3小行星采樣返回的主推進任務,航天器計劃2017年到達1999JU3并采樣,2020年返回地球。ESA和JAXA聯合研制的水星探測貝布克倫布(Bepicolombo)航天器將應用4臺T6離子電推進系統把磁圈軌道器和星體軌道器送入水星軌道,航天器計劃2015年發射,2021年到達水星。電推進系統在整個任務中提供不少于5km/s的速度增量,推力器累計工作20000h以上。

  加利福尼亞理工學院分析驗證了用40kW電推進完成近地小行星捕獲并轉移到繞月軌道的可行性,計劃于2020年中期實施。ESA正在論證采用太陽能電推進和同位素核能電推進組合完成距離太陽200AU進行太陽和星際探測的可行性。NASA正在開始進行針對載人深空探測太陽電推進系統的飛行驗證計劃,電推進總功率30kW,用1年時間完成從400kmLEO到地月L2的軌道轉移,計劃2018年飛行。中國正在論證應用LIPS-200+離子電推進系統完成近地小行星探測的技術方案。

5、總結和評述

5.1、電推進應用

  (1)目前已經應用的電推進類型包括肼電熱、肼電弧、氙離子、氙霍爾、PPT等,列入應用計劃的還包括場發射、膠體等,其中直流放電型離子和SPT霍爾是目前應用最多的主流產品,已經出現肼電熱推力器被淘汰,肼電弧推力器被更高性能的離子推力器和霍爾推力器逐漸取代的發展趨勢。

  (2)已經應用電推進的國家包括美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等,中國、韓國、以色列等國家正在制定或實施電推進應用計劃。

  (3)電推進的主用應用包括GEO位置保持、深空探測主推進、無拖曳控制、姿態控制、軌道轉移等方面,其中GEO軌道位置保持為主導性應用,深空探測主推進為快速擴展性應用。

  (4)應用電推進的航天器數量在快速增長,當前在軌運行的應用電推進的航天器大約100個,離子電推進累計工作時間接近200000h,霍爾電推進累計工作時間接近100000h。

5.2、新產品研制

  (1)型譜化電推進產品正在形成。一些主要的型譜產品包括美國L3公司的XIPS離子系列、Busek公司的BHT霍爾系列、AMPAC-ISP公司的T霍爾系列、日本的μ微波系列、英國T離子系列、德國RIT射頻系列、俄羅斯的SPT霍爾系列、中國的LIPS離子系列和LHT霍爾系列等;

  (2)為滿足軌道轉移和深空探測等未來應用需求,電推進產品正在向高功率方向發展。除傳統的數百千瓦高功率MPD電推進外,美國HiPEP離子推力器功率為34kW、德國RIT-45射頻推力器預期功率35kW、GRCNASA-457霍爾推力器功率73kW、美國火箭公司的VASIMR類型電推進VX-200功率達到200kW。

  (3)在微小功率電推進方面,除了FEEP、PPT等傳統推力器外,基于最成熟離子和霍爾類型技術的小功率產品研制取得重要進展,如德國RIT-2.5、Busek公司BFRIT-1、日本μ-1等的功率只有數十瓦,完全有可能取代FEEP實現工程應用。

  (4)離子和霍爾推力器長壽命驗證取得新突破。XIPS-13和NSTAR-30壽命驗證達到30000h,NEXT推力器的壽命驗證已經超過48000h(還在繼續),PPS-1350G推力器的壽命驗證達到10000h,BPT-4000的壽命驗證預計超過20000h,LEEP-150完成了3000h試驗。

5.3、新技術發展

  (1)電推進新技術不斷擴展,包括離子和霍爾變異類型及混合類型、非傳統類電推進新類型、不同推進劑類型等。

  (2)磁屏效應為霍爾推力器的長壽命問題解決帶來希望。在BPT-4000推力器10400h壽命試驗中,發現推力器陶瓷腔在5600~10400h之間幾乎為零腐蝕。為了從根源上搞清楚,JPL支持下發展了Hall2De程序模擬推力器工作過程,并由此發現了導致腐蝕降低的磁屏效應。

  (3)環型離子推力器和DS4G多級離子推力器成為離子推力器實現高功率的主要技術途徑,多通道霍爾推力器成為霍爾推力器實現高功率的主要技術途徑。

  (4)非傳統類型VASIMR正在成為未來大功率電推進的主要候選者。它具有比沖調節、無電極設計、多種推進劑選擇、中性等離子輸出、相對高效率、輻射屏蔽等優點,同時具有系統復雜尺寸大和磁場強電磁干擾大的明顯缺點。