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NASA与航空喷气-洛克达因公司推动空间电推进技术发展

时间:2017年07月19日 信息来源:国防科技要闻 点击: 【字体:

近期,在向航天相关的众议院小组委员会作证时,美国航空喷气-洛克达因公司建议将“太阳能电推进”(SEP)技术作为美国深空体系的核心组成。公司空间项目主管乔·卡萨迪表示,SEP对于深空体系的可持续性来说十分关键,可在航天员抵达深空目的地之前,实现货物、居住舱和有效载荷的高效运输。

SEP系统性能优势

SEP系统的推进剂效率(比冲)是传统化学推进系统的6-10倍。目前,超过200个商业、民用、国家安全及国防领域的航天器正使用SEP进行位置保持、重新定位和轨道提升等操作。载人火星任务约75%的有效载荷可使用SEP系统运输,从而减少发射次数。此外,NASA和航空喷气-洛克达因公司正在研发的SEP系统可使深空任务所需推进剂量减少10倍。


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在研技术 

航空喷气-洛克达因公司当前正在为NASA研发三种独立的高功率电推进系统:①用于行星任务的“NASA演进氙离子商业推进器”(NEXT-C)氙离子发动机;②用于深空货运任务的“先进电推进系统”(AEPS);③为未来技术嵌入研发的NASA“下一代空间探索技术合作”(NextSTEP)项目100千瓦级嵌套式霍尔推进器。

NASA演进氙离子商业推进器(NEXT-C)    

航空喷气-洛克达因公司在2015年获得NASA约1800万美元的合同,用于开展NEXT-C网格离子推进器系统的研发工作,以支持政府和商业航天器以更高的燃料效率、更快、更远地执行深空任务。根据NASA,NEXT系统能执行以火星及其他外行星为目的地的各种深空任务。2013年,NASA对NEXT-C网格离子推进器系统进行了破纪录的5万小时寿命测试。其运行功率是NASA当前低功率系统的3倍,可产生3倍的推力水平。

先进电推进系统(AEPS)

2016年4月,航空喷气-洛克达因公司与NASA签订6700万美元的成本加固定费用合同,用于研发高功率电推进系统AEPS,为NASA地月空间探索和火星探索计划提供关键部件。根据合同,公司将研发、认证并交付5个12.5千瓦“霍尔”推进器子系统,包括推进器、功率处理单元(PPU)和氙离子流控制器。其中,功率处理单元(PPU)已于近期在NASA格伦研究中心成功进行一系列热点火测试。

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▲NASA格伦研究中心对12.5千瓦的推进器进行评估。

据航空喷气-洛克达因公司称,比起其最先进的XR-5“霍尔”推进器(目前正用于推送政府和商业卫星进入地球同步轨道),AEPS系统12.5千瓦“霍尔”推进器可提供两倍推力。而据NASA消息,该推进系统可使航天器运载工具的燃料效率比当前化学推进技术提高10倍。目前,该公司正在进一步完善该推进系统,寻求使其成为具有2.3万小时寿命的飞行系统。该推进系统将成为SEP航天器的核心,NASA可使用它为低地球轨道以远的载人深空探索提供高效的居住舱和货物运输服务。

100千瓦级“嵌套式霍尔推进器”

2016年2月,NASA授予航空喷气-洛克达因公司250万美元的合同,用于研发并验证高功率电推进系统。公司团队将完成100千瓦级“霍尔推进器系统”的研发。该系统包括:使用公司多通道“嵌套式霍尔推进器”技术研发的250千瓦推进器、100千瓦模块化功率处理单元(PPU)的关键部件、以及模块化氙离子供给系统的部件。其中,PPU将航天器太阳能电池阵列生成的电能转化为“霍尔推进器”所需动力。合同包括系统集成测试,并计划在NASA格伦研究中心对100千瓦级系统进行100小时的测试。一旦完成研发,该技术将有助于减少地月及火星载人航天任务的次数并降低任务成本。

高功率电推进系统的意义

当前电推进系统的运行功率为5千瓦或更低,NASA计划在近期的航天器任务如“小行星重定向任务”(ARM)中使用20-50千瓦的电推进系统。该项目还研发更高功率的系统,如可扩展的100千瓦级系统,以便为可持续的载人火星任务运输大型的有效载荷。

研发XR-100推进系统

2016年,NASA“下一代空间探索技术合作”(NextSTEP)项目授予航空喷气-洛克达因公司650万美元的合同,用于在未来三年内研发被称为XR-100的推进系统。该系统是可扩展至兆瓦级的100千瓦级系统,密歇根大学加里摩尔教授主持研发的X3推进器是该系统的核心。航空喷气-洛克达因公司将围绕X3建造两个主要部件:将电能转化为推进器动力的功率处理单元(PPU),以及从高压燃料箱向通道供给氙气的系统。

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▲X3推进器正在建造和测试

X3设计功率200千瓦,体积小,重量轻。其核心技术“霍尔”推进器已经用于在轨卫星机动操作。加里摩尔表示,相比而言,当前在轨运行的最强“霍尔”推进器功率为4.5千瓦,能够调整卫星轨道和方向,但不足以为载人深空探索任务运输大量货物。而X3具有三个通道,以同心环的方式嵌套在一起。这种嵌套式设计使“霍尔”推进器体积缩小并能以200千瓦的功率运行。X3目前可以在高达30千瓦功率的热稳定状态下运行,在倒立摆推力试验台上的推力测量显示出超过2000秒的比冲和65毫牛/千瓦的推力/功率比。加里摩尔团队的目标是使X3达到200千瓦运行功率,并将X3一年多的使用寿命延长5-10倍。

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(作者:冯云皓)
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