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电推进——空间推进技术的革命

时间:2016年06月16日 信息来源:《中国航天》 点击: 【字体:

 


一、引言


 航天发展,动力先行。自古以来,推进系统一直承载着人类进入太空、探索宇宙的梦想,被称为人类空间技术事业发展的基石。
  传统化学推进采用推进剂本身化学能产生的能量来用于推进,而推进系统的喷气速度和总输出能量取决于推进剂种类和携带量,同时在航天器性能、寿命和飞行速度方面受到限制。化学推进已然不能满足当今不同卫星平台的任务需求。
  航天动力发展追求的永恒主题是提高喷气速度,而化学推进剂自身蕴含的能量难以进一步大幅提升,提升推进系统性能的必然途径则是采用外部能源来加速推进剂。目前,电能是航天器最容易获得的外部能量,电推进技术就是采用电能来加速推进剂从而产生推力。这一新型推进技术将成为下一代空间推进的主角,推动人类空间技术的飞跃发展。



  电推进是一种先进的空间推进技术。它把外部电能转化为推进剂的喷射动能产生推力,相对化学推进具有比冲高的显著特点。按照电推进的工作原理,传统电推进分为电热式、静电式和电磁式三大类。



  静电式推进利用静电场加速推进剂来获得推力,是目前性能优势高、技术成熟度好、应用领域较广的电推进类型,典型代表为霍尔电推进和离子电推进。其中,霍尔电推进以其推力功率比大、工作电压相对较传、寿命长、效率高、推力容易实现调节等优点,是现在和未来航天领域主流的电推进形式。本文将重点介绍霍尔电推进技术。


二、霍尔电推进


  1.最大限度提升航天器有效载荷


  霍尔电推进是目前国际上应用最广泛的电推进技术之一,具有相当大的综合优势:


  1)系统简单,可靠性高,安全性好;
  2)比冲高,且接近空间推进任务的最佳比冲,使航天器可承载较多的有效载荷,从而提高航天器的性能;
  3)霍尔推力器的推力和功率比大,一定功率条件下,可输出较大的推力;
  4)相对其他高比冲电推进,推力器尺寸较小,便于在航天器上安装布局;
  5)技术成熟度较高,有助于确保航天任务的成功进行。




  典型的电推进系统组成包括电推力器(产生推力)、推进剂贮供系统(提供推进剂)、功率处理单元(提供电能)、电推进控制单元(用于控制)等关键组件。
  霍尔推力器作为霍尔电推进系统的关键组件之一,其工作原理是利用霍尔效应原理。霍尔推力器的电子发射源是空心阴极,其发射的电子一部分进入放电室供霍尔推力器引弧并维持放电,另一部分进入霍尔推力器喷流以维持等离子体羽流的电中性;磁极与内外磁线圈组成磁路系统,在放电室内部形成径向磁场;阳极/气体分配器施加高电压,形成放电室内部轴向加速电场;放电室是推进剂电离和加速的场所,气体推进剂由推进剂输送管路和阳极/气体分配器进入放电室,并在其中完成电离和加速。


  

  国际上近年来新提出一种具有划时代意义的地球静止轨道航天器平台——全电推进卫星平台。全电推进卫星平台(All-Electric
Propulsion Platform)指高轨卫星平台,其采用高比冲的电推进系统来实现星箭分离后的卫星转移轨道变轨、卫星入轨后的在轨位置保持、动量轮卸载及离轨等任务。该类型平台采用霍尔电推进系统完成航天器所有推进任务,而不再采用比较低的化学推进系统。全电推进系统平台是在现有技术条件限制下,最大限度地提升航天器有效载荷承载能力的一种方案。


  2.下一代空间推进主角


  据统计,作为应用最广泛的电推进系统类型之一,霍尔推力器自1971年在“流星”18卫星上成功进行首次空间技术验证后,至2015年底,发射入轨、装备霍尔电推进的航天器共有93颗(77颗地球同步轨道(GEO)卫星,15颗低轨卫星,1颗深空探测器),装备霍尔推力器447台,其中现役航天器54颗(50颗GEO卫星,4N低轨卫星),装备霍尔推力器277台。霍尔推力器任务应用范围覆盖各类地球卫星的轨道提升、转移和保持以及深空探测的主推进任务,任务成功率达100%。美国的LS—1300、A2100M等GEO平台,在选用或升级电推进系统时,均选用了霍尔电推进系统作为推进系统方案。
  目前国际电推进应用主要包括GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测航天器主推进、低地球轨道超静平台无拖曳控制和轨道控制等方面。其中GEO轨道位置保持为主导性应用,GEO卫星轨道转移和深空探测主推进为快速扩展性应用,无拖曳控制为最新扩展应用。
  在深空探测方面,代表性的任务如美国的深空一号、黎明号航天器,日本的隼鸟号航天器,欧洲的SMART-1月球探测器等,均使用电推进作为主推进。SMART-1航天器配备的是霍尔电推进系统,于2005年2月27日到达最终的环月轨道,轨道周期为54,时。2006年99 3日,SMART一1航天器对月球表面进行了撞击,完成其最终使命。
  经过100余年的研究和发展,电推进在空间推进中的应用越来越普遍。截至2013年底,共有超过300个在轨运行的航天器应用了电推进系统,其中采用霍尔电推进系统的航天器占据很大部分,并且霍尔电推进系统是目前和未来应用的主要电推进系统。
  2012年美国NASA的空间推进路线图指出:美国将在未来30年内应用50kW、100kW级大功率霍尔推力器,美国格林研究中心正在发展基于核电的73kW级离子推力器。对于深空探测的近期任务,主要依赖于大功率电推力器和太阳能驱动的电推进的应用(SEP),而在将来,核发电装置配合大功率电推力器将能够执行更广泛的任务。
  总的来说,对于具有单次任务所需总冲小、推力小而全寿命周期任务执行较频繁、总次数多、总冲大等特征的姿轨控制任务,或者任务执行容许时间较长、任务所需总冲量大的大速度增量轨道转移任务,应用霍尔电推进系统将最大限度地发挥其比冲高、寿命长、可靠性高等的技术优势,同时避免电推进系统推力量级较小的劣势,最终达到扬长避短的效果。


三、霍尔电推进铸就我国航天事业新辉煌


  1.我国霍尔电推进现状分析


  上世纪60年代,在钱学森的支持下,我国开始了电推进技术研究,并在80年代中期之前取得了一些令人瞩目的成果。由于国家投资力度增加,电推进发展速度加快,中功率电推进已具备工程应用能力。目前国内开展电推进技术研究的单位包括上海空间推进研究所(801所)、兰州空间技术物理研究所(510所)、北京控制工程研究所(502所)、啥尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学等。
  国内霍尔电推进研制历程主要分以下几个阶段:


  1)起步阶段:上世纪60年代中期,在钱学森的支持下,中科院电工研究所在国内率先启动电推进的研究。该所是我国最早开展电推进技术研究的单位,从1967年起研究6cm平H 12cm汞离子推力器。1981年该所研制的脉冲等离子体推力器在火箭上进行了高弹道飞行试验。1974年,中国航天科技集团五院510所开始汞离子推力器研究,其中LIPS-80离子推力器在1987年获得了国家科技进步奖一等奖。
  2)停滞阶段:由于当时航天器功率有限、需求牵引不强等问题,在上世纪80年代中期至1]90年代中期,电推进发展几乎处于停滞状态。中国航天科技集团六院901所在国内电推进研究基本停滞的状态下,在充分调研国外电推进发展和应用情况后,在1994年率先启动了霍尔电推进技术研究,并自主研发了霍尔推力器样机,实现了稳定点火。
  3)原理探索阶段:90年代末到21世纪初,在国际电推进系统正式商业应用的大背景下,我国电推进重新启动。1999年3月18日,原中国航天工业总公司科技局在北京召开了以任新民为组长的“电火箭研究立(开)题及技术方案论证评审会”。会议明确了霍尔电推进技术对我国未来空间技术发展的重大意义,并决定由801所率先对霍尔电推进技术展开攻关并逐步实现工程化应用。
  4)工程研制阶段: “十五”期间,801所完成了霍尔电推进系统的工程化样机,为我国电推进空间飞行试验奠定了基础。
  5)飞行试验阶段: “十一五”期间到“十二五”初,801所开展了霍尔电推进系统样机的研制工作,并实现了我国电推进空间飞行验
证零的突破。随后国内电推进需求呈现出井喷趋势,为我国电推进的发展带来了前所未有的机遇。2000年后,801所突破了霍尔电推进的主要关键技术,并于2012~2013年成功进行了我国首次空间在轨电推进飞行试验,有效验证了我国中功率电推进技术研制历程的正确性。
  经过长期科研攻关和技术储备,国内的霍尔电推进系统已经初步具备在轨应用能力。2012年,801所的HET-40霍尔电推进系统以SJ一9A卫星为载体,开展了国内霍尔电推进首次空间在轨飞行试验。SJ-9A卫星于2012年10,q发射,至2013年底,霍尔电推进系统通过一年多的在轨试验,圆满完成了各项预定的试验任务,在轨标定的技术指标与国际同类产品具有同等水平。
  国内首次霍尔电推进在轨飞行试验的圆满成功,对我国霍尔电推进技术的发展意义十分重大。这代表着我国的霍尔电推进技术正在迈人工程应用阶段。随着霍尔电推进系统在我国的卫星上大量应用,将为我国航天器性能的提升带来又一次飞跃。


  2.国内航天器发展对霍尔电推进的需求分析


  随着霍尔电推进技术的逐步攻关,霍尔推力器必将在空间航天器上取得广泛应用。我国当前和可预见的未来对电推进技术应用有需求的航天任务主要包括:


  1)GEO卫星位置保持;
  2)GEO卫星轨道转移和在轨位置保持;
  3)全电推进GEO平台轨道转移、位置保持、姿态控制、动量轮卸载等全部推进任务;
  4)无人深空探测器、大型载人深空探测飞船、星际货运飞船的深空探测主推进任务;
  5)低轨航天器大气阻力补偿、姿态控制和轨道控制等任务;
  6)其他轨道卫星的推进任务。



  下面详细介绍三款中功率推力器产品,即H E T一4 0霍尔推力器(推力4 0 i71 N)、HET-80霍尔推力器(推力80mN)和多模式
高功率HET一300M霍尔推力器(推力可调范围80~300mN)的技术指标及应用任务需求。


  ◆HET-40霍尔推力器


  HET一40霍尔推力器是我国成功研制的首台霍尔推力器,成功完成了国内首次霍尔电推进技术的空间飞行验证,霍尔电推进的在轨工作性能、工作可靠性以及与航天器的相容性得到有效验证,为霍尔电推进在我国航天器上的全面应用奠定了坚实基础。推力器额定推力40raN,比冲1500s,总冲4 X 10。Ns,适用于低轨卫星的大气阻力补偿和中小型GEO卫星的在轨位置保持以及精确控制的卫星编队飞行等任务。


  ◆HET-80霍尔推力器


  HET一80霍尔推力器是国际应用最为广泛的推力器之一,目前应用于空间站核心舱配制的霍尔电推进子系统中,提供空间站寿命期间阻力补偿所需的部分动力,降低空间站轨道维持推进剂消耗。其设计推力为80mN,比冲1600s,总冲2×10。Ns,适用于大中型低轨航天器的轨道控制、大中型GEO卫星的位置保持或轨道转移以及近地小行星探测等任务。


  ◆HET——300强霍尔推力器


  HET-300M霍尔推力器具有多种工况工作的能力,其典型的工作模式为大推力模式和高比冲模式。其中大推力模式为推力300ran,比冲1800s;高比冲模式为推力100mN,比冲3150s。
该型霍尔推力器可用于全电推进卫星平台、大中型GEO卫星等航天器执行轨道转移、在轨位置保持和动量轮卸载等任务。



四、我国霍尔电推进卫星平台的发展路线


  结合我国GEO卫星、载人航天、低轨卫星和深空探测等领域发展对电推进技术的需求,我国制定了霍尔电推进卫星平台的发展路线,2020年前将实现全面提升卫星平台能力和国际市场竞争力。霍尔电推进发展路线规划如下:


  1)中功率霍尔电推力器(40mN、80mN)2015年前具备在轨服务条件,可支持用于位置保持的GEO卫星和低轨航天器的应用需求,如空间站和其它卫星平台等。
  2)执行轨道转移和位置保持任务的多模式高功率电推力器(80~300raN)2017年前具备在轨服务条件,可支持全电推卫星平台和用于部分变轨卫星平台的应用需求。此类平台需统一高功率电推力器的状态,牵引高功率电推力器的研制和验证,同时需要进行全电推卫星平台的立项研制,开展自主变轨、高承载比构型结构等其它关键技术的攻关和工程鉴定。

  3)低轨遥感卫星可根据任务要求,选用上述中功率、多模式高功率电推力器型谱。
  4)中小型深空探测器等可根据任务需求,在现有电推力器型谱基础上进行适应性改进或研发。
  5)未来载人深空探测和星际货物运输等大型深空探测任务,需要专门研制大功率电推力器,预计2020年左右具备在轨服务条件。



五、结束语


  在过去的数十年里,霍尔电推进技术迅速完成了由原理技术研究到工程应用再到全面推广的发展阶段。随着在航天领域应用的不断扩展,霍尔电推进技术在通信卫星上的应用大大减少了用于位置保持以及轨道转移的推进剂质量,从而增加了卫星的有效载荷质量。前期技术验证计划和空间探测任务的成功表明,相比化学推进,霍尔电推进技术在空间探测领域具有巨大的优势,未来更多的霍尔推力器将会被用于空间探测器的主推进系统,为不同航天器提供源源不断的动力,推动人类探索空间技术的飞速发展。属于霍尔电推进的时代已经到来! 

(作者:张敏 杭观荣)
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