太阳能电推技术:目标直指载人深空任务

Space Exploration - - 太空探索 - 文/ 张雪松

化学火箭是人类进入太空的唯一途径,但在太空中可就不一样了,虽然火箭发动机仍然是卫星和飞船主要的动力系统,但空间太阳能电推自几十年前蹒跚学步开始,现在已经得到了越来越广泛的应用。太阳能电推技术蓬勃发展,空间系统公司(SSL)将其大致划分为三代,它在商业通信卫星、深空探测器乃至空间站上都将大显身手。

电推的由来和优势

电推技术并不是一个新概念, 1906年美国航天先驱戈达德就提出了 电推发动机的想法,那时他还只是一个24岁的青年,而他亲手制作的人类历史上第一枚液体火箭,还要再过20 年才会发射。尽管如此,电推发动机从概念变为现实,已经是1960年的事情, NASA刘易斯研究中心制造了第一台实用电推发动机,1964年两台静电式电推发动机发射升空,进行了第一次太空工作试验。美国的静电式离子推进器比冲高,早期就能做到3000秒,但结构复杂、可靠性差,而且需要高压供电,这都制约了它的实用化。霍尔效应电推发动机结构简单运行可靠,更早的走向实用化,但实用的霍尔电推发动机比冲 较低,比如俄国的 SPT-100 霍尔电推发动机比冲只有1500 秒左右。

太阳能电推技术有很多劣势,它需要大面积高效率的太阳翼发电,需要高压配电系统,需要使用高价的稀有气体如氙作为工质,电推发动机的带电粒子喷流不仅会造成通讯电波的衰减,羽流污染也是卫星设计需要考虑的问题。总而言之,电推发动机用起来相当麻烦。话虽如此,太阳能电推技术还是得到了越来越多的青睐,尽管它缺点不少,但它的比冲优势实在太大了!

以我国的嫦娥一号月球探测器为例,它的发射质量为2350千克,但其

中燃料就有1200千克,而有效载荷仅有 8 种 24件,总计130千克。“嫦娥一号”使用东方红三号卫星平台,而使用这个平台的通信卫星载荷重量也仅有约 220千克。全化学推进的卫星平台,一般地说燃料质量占比为55%,平台质量36%,而载荷质量为9%左右。“嫦娥一号”使用普通化学火箭发动机,比冲仅有约 300秒,而电推发动机的比冲提高了一个数量级,比如我国实践九号A卫星就携带了一台比冲3000 秒的LIPS-200电推发动机,还有一台比冲1500 秒的 HET-40霍尔电推发动机。

当然,电推发动机不仅有高比冲的优势,也有小推力的劣势,比如LIPS200离子电推发动机的推力只有40 毫牛,对比传统的490牛化学火箭发动机,推力仅为后者的不到万分之一!通信卫星也好,飞船探测器也罢,变轨飞行时仍会受到引力影响,变轨的一部分能量要用于克服引力,变轨时间越长能量损失越大,同样从转移轨道到地球同步轨道,使用化学火箭发动机需要约1800米 /秒的速度增量,而用电推发动机需要的速度增量大致翻倍。对此工程师们想到一个好办法:既然小推力的电推发动机用于变轨燃料损失太大,变轨时间又太长,那用于通信卫星南北位置保持,不就扬长避短了么?这就是第一代电/化学混合推进卫星概念,劳拉公司使用SPT-100电推进技术制造了数十颗第一代混电卫星。

不过话说回来,即使电推发动机有这样那样的问题,但它的比冲优势太大,仍将卫星有效载荷提高到空前的水平!以使用俄国1.5 千瓦的 SPT-100霍尔电推发动机为例,混电通信卫星的化学推进剂质量比降低为45%,电推发动机工质和发动机占比4%,而载荷质量比提高到16% !考虑到通信卫星的单位质量发射成本1千克就上万美元,有效载荷比例提高这么多,这对商 业公司都是流水般的钱。正因为如此,现在商业通信卫星不使用电推系统,都不好意思标榜自己的先进性了。

二代电推系统的应用

商业通信卫星市场的领头羊劳拉公司不仅使用俄罗斯法克尔设计局的霍尔电推制造了第一代混电通信卫星,它还继续引进俄罗斯更先进的霍尔电推技术,研制了使用第二代电推发动机的新一代混电卫星,卫星性能上又有很大的提高。

上文提到,电推发动机推力小会带来能量损失,通俗的说就是克服引力做功消耗了更多燃料,那么加大推力不就可以降低损耗吗?劳拉公司的第一代混电卫星使用10千瓦 /100 伏特的太阳翼,配电系统可为电推系统提供1.5 千瓦 /300伏特的电力供应,而SPT-100电推发动机只能达到83毫牛的平均推力和 1500秒的平均比冲。现在劳拉公 司使用推力更大的SPT-140 电推发动机,同时又改进了太阳翼和配电系统,第二代太阳能电推系统的性能可谓今非昔比。

劳拉公司的第二代太阳能电推系统包括25 千瓦 /100伏特的太阳翼,功率 4.5 千瓦 / 电压 300伏特的大功率高压配电系统,电推也升级为SPT-140发动机,这台发动机虽然平均工作比冲约为 1800秒,但推力可达 0.25 牛/250毫牛,推力提高3倍的同时,氙工质携带量也从170千克增加到500千克甚至 600千克。第二代混电卫星的电推除了用于卫星南北位置保持,还可承担部分或主要的轨道提升(EOR)工作,得益于SPT-140电推更大的功率和推力,第二代混电卫星中只有29%的重量是化学推进剂,另有6%用于太阳能电推系统,而载荷质量比达到了30%。相比传统的全化学推进通信卫星,第二代混电卫星的载荷质量比提高了3倍还多!

▲劳拉公司的第三代(300kw级)太阳能电推方案,用于大型的载人深空探索任务

▲嫦娥一号月球探测器

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