电推进系统的过去、现在及未来

Space Exploration - - 太空探索 - 文/ 王小萌

当前,航天器主要使用化学推进系统和电推进系统。化学推进系统是在航天器内加注化学推进剂并产生化学反应,产生推力,推动火箭飞行;电推进系统是使用电能产生推力,推动航天器飞行。相比起化学推进系统,电推进系统所需要加注的推进剂少,且不必受推进剂产生/释放化学能量大小的制约,可以有效地将电能转化为动能,具有比冲高、工作时间长的优势。在太空特有的真空失重状态下,电推进系统能够长时间工作,持续做功,帮助航天器完成位置保持和轨道机动。

随着航天技术的发展,航天器使用的推进系统也逐渐向质量轻、体积小、效率高发展。因此,比冲高、寿命长、体积小且污染少的电推进系统正受到航天界的青睐。尤其是对微/小型商业卫星以及需要长时间工作的深空探测器来说,绿色环保的电推进系统已成为优先考虑的方向。美国、俄罗斯/苏联和中国已经在电推进系统的研究和应用上取得了一些成果,并已经制定了未来电推进系统的研究计划,将把电推进系统应用在更广泛的航天项目中。

电推系统的工作方式

电推力器是电推进系统的核心部件,按照工作原理的不同分为三种:电热式推力器、静电式推力器和电磁式推力器。

电热式推力器需要对加注的推进剂进行加热使其气化,并从尾部喷管喷出,产生推力。

静电式推力器是利用电能把推进剂进行电离, 形成电子和离子, 并在静电场作用下使带正电的离子加速从尾部喷管喷出,从而产生推力。由于产生推力的物质是离子, 因此静电式推力器又被称为“离子推力器”。

电磁式推力器是利用电能将推进剂电离成等离子体,在外加电磁场( 洛伦兹力) 的作用下,使等离子体加速从尾部喷管喷出, 产生推力。由于产生推力的物质是等离子体,所以电磁式推力器又被称为“等离子体推力器”。

美国的“电推”项目

美国很早就开始进行电推力器的 研制。早在1906年,戈达德就提出了“使用电能加速带电粒子产生推力”的思想。此后,在 1946-1957 年间,又有其他科学家提出了多种类型电推力器的研究方案和理论,论证了在太空中使用电推力器的可能性。1958年 8月,科学家弗雷斯特研制出了世界上首台静电式推力器——铯接触式离子推力器,并成功进行了测试。

1962-1964 年间,美国将铯接触式离子推力器安装在侦察兵火箭上,并进行了3次飞行试验。此后几年,美国又对这种电推力器进行了几次测试,但由于铯接触式离子推力器里面的多孔钨零部件的热损较严重,并且这种推力器的工作效率低,从20世纪70年代后,这种推力器便停止研制了。

1960年,美国宇航局科学家考夫曼研制出了另外一种静电式推力器——电子轰击式离子推力器,并成功进行测试。1964年7月20日,美国发射了名为“空间电火箭实验1号”的卫星,卫星上安装了2台静电式推力器,包括1台铯接触式离子推力器和1台电子轰击式离子推力器。其中,电子轰击式离

子推力器工作状态良好,但铯接触式离子推力器未能点火启动。

1970 年 2月,美国又发射了“空间电火箭试验2号”,该卫星上安装了2台电子轰击式离子推力器。最终, 2台推力器在太空中运行状态良好,分别工作了 2011 小时和 3781 小时,共进行 300次开关循环。

美国近些年主要进行电磁式推力器的研究。电磁式推力器不需要像电热式推力器那样对推进剂进行加热,结构设计也比静电式推力器简单很多,且可靠性更高,稳定性好,可以用作大型航天器的辅助推进系统。目前,美国主要在研项目如下:

一是可变比冲磁等离子体火箭。

1973年,美国华裔富兰克林(张福林)提出等离子体推力器的思想,他表示“等离子体推力器可以使用较少的推进剂,工作时间长,能够有效地推动航天器在太空中飞行,可应用于长期在太空运行的卫星上,进行卫星姿态调整和轨道变化”。当时,他还是麻省理工学院的一名学生,随后他进入美国宇航局成为航天员。2005年7月15日,富兰克林离开了工作20多年的美国宇航局,前往刚成立半年的艾德·阿斯特拉公司任首席执行官,并研制出了“可变比冲磁等离子体火箭”。该火箭是一种电磁式推力器,其工作原理为:使用无线电波轰击推进剂,使其变成等离子体。随后等离子体进入磁场,受洛伦兹力旋转,并从尾部喷管排出,从而产生

推力,推动航天器飞行。

2007年,由富兰克林设计并研制的功率为100千瓦可变比冲磁等离子体火箭(VX-100)成功试车,2008年和 2011年,艾德·阿斯特拉公司对功率为 200千瓦可变比冲磁等离子体火箭(VX-200)进行了 2次点火试车,测试了该推力器的性能。

从 2005 年 6月开始,艾德·阿斯特拉公司与美国宇航局就“可变比冲磁等离子体火箭”研制项目开展合作,美国宇航局初步同意“可变比冲磁等离子体火箭”可以在国际空间站进行飞行测试。然而,在2015年,美国宇航局宣布终止让“200千瓦可变比冲磁等离子体火箭”进入空间站的计划,称“国际空间站不是该等级电推力器理想的验证平台”。但是艾德·阿斯特拉火箭公司表示,“可变比冲磁等离子体火箭”经过未来的空间演示验证后,仍有可能应用在国际空间站上。 二是三通道霍尔推力器。

2009年,密歇根大学、美国宇航局和美国空军一同合作、设计并研制出一款大推力电推力器——三通道霍尔推力器,研制目的是在20年内应用于载人火星探测项目。与传统的霍尔推力器相比,三通道霍尔推力器的输出电流更强、功率更大,产生的推力也更强。2017年,美国密西根大学与美国宇航局在格伦研究中心对一台三通道霍尔推力器进行测试验证并取得成功。该项目负责人美国密歇根大学工程院院长加利莫尔表示,三通道霍尔推力器打破了霍 尔推力器最大功率输出、推力和工作电流纪录。试验表明,该推力器能以100千瓦以上的功率工作, 最大电流可达到 260 安,产生推力5.4 牛 , 是等离子体推力器迄今达到的最高水平。

苏联 /俄罗斯的“电推”系统研制

苏联 /俄罗斯也很早就开始进行电推进系统的研制。1911年,苏联科学家齐奥尔科夫斯基就提出了“利用带电粒子在太空中做功,产生推力,推动航天器飞行”的思想。1929-1931 年,苏联在列宁格勒建立了专门研究电推力器的机构。1966年,苏联库尔恰托夫原子能研究所的莫洛佐夫教授研制出了静态等离子体推力器(SPT)并对其成功进行试车。此后,经法克尔设计局、莫斯科航空学院等单位不断对静态等离子体推力器进一步进行改进提升,先后研制出 SPT-25、SPT-30、SPT-35、

SPT-50/60 等型号。

目前,俄罗斯仍继续对静态等离子体推力器(SPT)进行深入研究,研制出更多型号的电推力器,“SPT-140”推力器就是其最新研制的。相比起以前的静态等离子体推力器,该型号推力器的推力更大,工作时间也更长。

中国“电推”发展历程

中国开始研制电推力器的时间比美国和俄罗斯/苏联晚了很多。中国航天科技集团有限公司下属的兰州空间技术物理研究所是中国最早开始进行电推进系统研制的单位,从1974 年开始进行相关研究。1986年,该所成功研制出了 80毫米汞离子推力器并且成功通过测试,在当时达到了国际领先水平,并于 1987年获得了国家科技进步一等奖。随后,在 1988-1993 年间,该所又研制出了90毫米氙离子推力器。但在此之后,由于各种因素制约,电推进系统的研制便停滞不前了。直到1997年,受美国电推进系统成功在太空中应用的影响,中国决定重启电推进系统的研究,并给予相关资金和技术支持,研制得以继续开展。

1999 年至 2004年,兰州空间技 术物理研究所研制了200毫米离子推进系统原理样机,其主要性能达到国外同类产品水平。2004~2007 年,又完成了该电推进系统工程样机的研制,并通过环境条件鉴定试验。经过漫长的研制、开发、测试阶段,2012年 10 月14日,该所将成功研制的200 毫米离子推进系统安装在“实践九号”A型卫星上,发射升空并取得成功。该电推进系统在太空中运行良好,把卫星轨道高度提升了324米。这是中国首次在卫星上使用电推进系统,意味着中国成为了世界上为数不多可以成功应用电推进系统的国家,为中国航天推进技术开启了一扇新的大门。这对中国电推进系统的研制来说,无疑是里程碑式的进步。

目前,兰州空间技术物理研究所在 200毫米离子推力器 (LIPS-200) 的基础上进行升级改进,先后研制出200毫米离子推力器改进型(LIPS-200+)、

300毫米离子推力器(LIPS-300)等型号的离子推力器。200毫米离子推力器改进型(LIPS-200+)是 200 毫米离子推力器(LIPS-200)的升级版 ,它沿用了200 毫米离子推力器(LIPS200)的整体结构设计, 通过调整电气参数及磁场设计而实现高性能提升,在推力、比冲、燃效等方面都有了较大提高 ,属于千瓦量级的离子推力器, 可以推动质量更大航天器,实现大型航天器的位置保持、轨道变化,进行深空探测、小行星探测等项目。目前,经兰州空间技术物理研究所证实,由该所研制的 300 毫米离子推力器(LIPS-300)将在 2020年前实现证实飞行和应用,且将使用在全电推进系统航天器上。

与兰州空间技术物理研究所一样在电推进领域不断开拓的还有中国航天科技集团有限公司所属上海空间推进研究所。上世纪末,该所获得电推进技术原理性突破,在国内率先开展了霍尔电推进技术研究,并实现霍尔推力器的稳 定工作。目前,该所已经形成完整的霍尔电推进技术研发体系。

中国进行电推进系统研制的科研单位有很多,除兰州空间技术物理研究所、上海空间推进研究所外,还有北京控制工程研究所、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学等,但只有兰州空间技术物理研究所和上海空间推进研究所属于工程产品研制单位,其他单位只进行相关技术研究。

未来“电推”的发展趋势

随着商业航天、载人航天、深空探测项目的发展,各国逐渐转向研制质量轻、体积小、效率高的电推进系统。

未来,航天发展必将对电推进系统提出更高的要求, 主要领域将涉及航天器(卫星)的位置保持和轨道机动、近地小行星探测、中低轨道航天器轨道维持、载人火星探测、深空探测项目等。

电推进系统的研制将会向两个方 面发展,第一种为大功率、高比冲、长寿命的电推进系统。这类技术主要用于执行载人火星探测项目、深空探测等远距离任务。第二种为低功率、小推力、推力可调节并可以长时间连续工作的电推进系统。这类电推进系统主要执行航天器(卫星)的位置保持与姿态控制以及航天器组群飞行等任务。

虽然电推进系统具有比冲高、推力小、可以长时间做功等优点,但并不是所有的航天任务都适合使用电推进系统。例如,需要快速响应的发射任务,用电推进系统就难以满足。并且,由于电推进系统所产生的推力不足以克服地球引力,目前只能将该系统使用在航天器上或作为大型推进系统的辅助系统使用。未来,商业微/小卫星市场、深空探测、载人航天等航天项目将持续大热,电推进系统也会不断的改进提高,并发挥其独特的优势应用在更广泛的航天任务中。★

▲空间电火箭实验1 号

▲ 100千瓦可变比冲磁等离子体火箭 ▲ 200千瓦可变比冲磁等离子体火箭 ▲空间电火箭实验2 号

▲三通道霍尔推力器 ▲三通道霍尔推力器 ▲三通道霍尔推力器在测试中 ▲三通道霍尔推力器点火 ▲传统的霍尔推力器

▲ SPT-140 推力器 ▲苏联 /俄罗斯研制的SPT系列推力器 ▲两台 SPT-140 推力器安装在卫星上

▲ 200毫米离子推力器 (LIPS-200) ▲ 200毫米离子推力器 (LIPS-200) 进行地面测试 ▲ 200毫米离子推力器装配现场

▲ 300 毫米离子推力器(LIPS-300) ▲ 300 毫米离子推力器(LIPS-300)内部结构图

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