空间电推进技术及应用新进展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:张天平

  在系统调研2000年以来国内外空间电推进技术及应用进展的基础上,详细介绍了电推进在GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进、科学观测和试验等领域的空间应用情况,分别给出了离子电推进、霍尔电推进和其他电推进类型的新研产品及主要性能,对电推进新技术发展情况进行了概要性的介绍,最后对空间电推进技术及应用的新进展给出了简要总结和评述。

1、引言

  自1902年俄罗斯的齐奥尔科夫斯基和1906年美国的哥达德博士分别提出电推进概念以来,电推进技术发展已经走过了一个多世纪的历程,大致分四个阶段:1902年~1964年为概念提出和原理探索阶段,美国、英国、德国分别研制出离子电推进样机,俄罗斯研制了霍尔电推进样机;1964年~1980年为地面和飞行试验阶段,美国完成汞离子电推进飞行试验,俄罗斯完成SPT霍尔电推进飞行试验;1980年~2000年为航天器开始应用阶段,俄罗斯的霍尔电推进和美国的离子型电推进相继应用,日本、德国等其它国家的电推进也开始飞行试验;2000年至今为电推进技术和应用快速发展阶段。在系统调研2000年以来国内外空间电推进应用和技术进展的基础上,从电推进应用、新产品研制、新技术研究等方面对电推进技术新进展进行了系统介绍和简要评述。

2、电推进应用情况介绍

2.1、GEO卫星位置保持

  美国波音公司在BSS-601HP平台卫星上继续应用XIPS-13离子电推进系统完成南北位保任务,2000年以来成功发射了Galaxy4R、Galaxy10R、PAS9、DirecTV4S、Astra2C、PAS10、AsiaSat4、Galaxy13、Measat、SES-7等10颗卫星,使得应用XIPS-13离子电推进系统的卫星总数达到18颗。

  波音公司继续在BSS-702平台卫星上应用XIPS-25完成全部位置保持任务,2000年以来成功发射了AnikF1、PAS1R、XM1、XM2、Galaxy3C、AnikF2、XM3、Spaceway1、Spaceway2、XM4、WGS1、Spaceway3、DIRECTV10、DIRECTV11、DIRECTV12、WGS2、WGS3、WGS4、WGS5等19颗卫星,使得应用XIPS-25离子电推进系统的卫星总数达到20颗。

  美国空间系统牢拉公司在LS-1300平台上应用SPT-100霍尔电推进系统完成南北位保任务,自2004年首发以来成功发射了MBSat1、Telstar8、Thaicom4、NSS12、XM5、Telstar11N、SiriusFM5、QuetzSat1、SiriusFM6、SES5等10颗卫星。

  欧洲阿斯特里姆公司在EUROSTAR-3000平台上应用SPT-100和PPS-1350霍尔电推进系统完成南北位保任务,自2004年首发以来成功发射了Intelsat10-02、Inmarsat4-F1、Inmarsat4-F2、Inmarsat4-F3、Ka-Sat、YahSat1A、YahSat1B等7颗卫星。

  欧洲泰丽斯-阿莱尼亚公司在SPACEBUS-4000C平台上应用SPT-100霍尔电推进系统完成南北位保任务,自2005年首发以来成功发射了AMC12、AMC23、Giel2、EutelsatW2A、EutelsatW7、EutelsatW3B等6颗卫星。

  俄罗斯应用力学联合体继续在MSS-2500等平台应用SPT-100系列霍尔电推进系统完成全部位保任务,自2000年以来成功发射了ExpressA2、SESAT、ExpressA3、ExpressA4(1R)、ExpressAM22、ExpressAM11、ExpressAM1、ExpressAM2、ExpressAM3、ExpressAM33、ExpressAM44等11颗卫星。

  俄罗斯能源设计局在YAMAL-100平台卫星上应用SPT-70霍尔电推进系统完成全部位保任务,2003年成功发射了Yamal-201和Yamal-202等2颗卫星。

  美国洛马公司在A2100M平台上开始应用BPT-4000霍尔电推进完成南北位保任务,自2010年首发以来成功发射了AEHF-1、AEHF-2等2颗卫星,后续计划中还有2颗卫星待发射,4颗卫星在研制。

  欧洲最新ALPHABUS平台确定采用Snecma公司的PPS-1350霍尔电推进系统完成南北位保任务,已经完成首发卫星电推进产品交付,计划于2013年发射。2007年启动的欧洲小型GEO平台将采用SPT-100和HEMP-3050组合的电推进系统完置保持。中国DFH-3B试验卫星将采用LIPS-200离子电推进系统完成15年南北位置保持任务,计划2015年发射。

2.2、深空探测主推进

  1998年10月美国发射的深空一号(DS-1)航天器应用单台NSTAR-30离子电推进系统完成小行星探测的主推进任务,在历时3年多的飞行任务中离子电推进系统累计工作16265h,开关机200多次,共消耗氙气73.4kg,产生速度增量4.3km/s。

  2003年5月日本发射的隼鸟号(Hayabusa)航天器应用4台μ-10微波离子电推进系统完成S类近地小行星丝川(Itokawa)的采样返回的主推进任务,2010年6月返回舱成功降落到澳大利亚并回收。在整个飞行任务中离子电推进系统累计工作39637h、消耗氙气47kg、产生速度增量2.2km/s,单台推力器最长工作时间达到14830h、1805次开关。

  2003年9月欧洲发射智慧一号(SMART-1)航天器应用单台PPS-1350霍尔电推进系统完成月球探测主推进任务,2005年完成了月球探测使命最终坠落月球表面。在整个飞行任务中电推进累计工作近5000h,由于推进系统的良好性能,使得航天器绕月球探测工作时间从原计划的6个月延长到了1.5年。2007年9月美国发射的黎明号(Dawn)航天器应用3台NSTAR-30离子电推进系统完成对主带小行星中灶神星(Vesta)和谷神星(Ceres)科学探测的主推进任务,航天器于2011年7月实现Vesta的轨道捕获,2012年9月完成为期1年的Vesta科学探测任务并离开,电推进累计工作25000h、消耗氙气262kg、产生速度增量7km/s。目前航天器正在奔向Ceres的征途中,计划2015年到达。

  日本计划于2014年发射的隼鸟二号(Hayabusa-2)航天器将继续采用4台μ-10微波离子电推进系统完成1999JU3小行星采样返回的主推进任务,航天器计划2017年到达1999JU3并采样,2020年返回地球。ESA和JAXA联合研制的水星探测贝布克伦布(Bepicolombo)航天器将应用4台T6离子电推进系统把磁圈轨道器和星体轨道器送入水星轨道,航天器计划2015年发射,2021年到达水星。电推进系统在整个任务中提供不少于5km/s的速度增量,推力器累计工作20000h以上。

  加利福尼亚理工学院分析验证了用40kW电推进完成近地小行星捕获并转移到绕月轨道的可行性,计划于2020年中期实施。ESA正在论证采用太阳能电推进和同位素核能电推进组合完成距离太阳200AU进行太阳和星际探测的可行性。NASA正在开始进行针对载人深空探测太阳电推进系统的飞行验证计划,电推进总功率30kW,用1年时间完成从400kmLEO到地月L2的轨道转移,计划2018年飞行。中国正在论证应用LIPS-200+离子电推进系统完成近地小行星探测的技术方案。

5、总结和评述

5.1、电推进应用

  (1)目前已经应用的电推进类型包括肼电热、肼电弧、氙离子、氙霍尔、PPT等,列入应用计划的还包括场发射、胶体等,其中直流放电型离子和SPT霍尔是目前应用最多的主流产品,已经出现肼电热推力器被淘汰,肼电弧推力器被更高性能的离子推力器和霍尔推力器逐渐取代的发展趋势。

  (2)已经应用电推进的国家包括美国、俄罗斯、欧洲、日本、印度等,中国、韩国、以色列等国家正在制定或实施电推进应用计划。

  (3)电推进的主用应用包括GEO位置保持、深空探测主推进、无拖曳控制、姿态控制、轨道转移等方面,其中GEO轨道位置保持为主导性应用,深空探测主推进为快速扩展性应用。

  (4)应用电推进的航天器数量在快速增长,当前在轨运行的应用电推进的航天器大约100个,离子电推进累计工作时间接近200000h,霍尔电推进累计工作时间接近100000h。

5.2、新产品研制

  (1)型谱化电推进产品正在形成。一些主要的型谱产品包括美国L3公司的XIPS离子系列、Busek公司的BHT霍尔系列、AMPAC-ISP公司的T霍尔系列、日本的μ微波系列、英国T离子系列、德国RIT射频系列、俄罗斯的SPT霍尔系列、中国的LIPS离子系列和LHT霍尔系列等;

  (2)为满足轨道转移和深空探测等未来应用需求,电推进产品正在向高功率方向发展。除传统的数百千瓦高功率MPD电推进外,美国HiPEP离子推力器功率为34kW、德国RIT-45射频推力器预期功率35kW、GRCNASA-457霍尔推力器功率73kW、美国火箭公司的VASIMR类型电推进VX-200功率达到200kW。

  (3)在微小功率电推进方面,除了FEEP、PPT等传统推力器外,基于最成熟离子和霍尔类型技术的小功率产品研制取得重要进展,如德国RIT-2.5、Busek公司BFRIT-1、日本μ-1等的功率只有数十瓦,完全有可能取代FEEP实现工程应用。

  (4)离子和霍尔推力器长寿命验证取得新突破。XIPS-13和NSTAR-30寿命验证达到30000h,NEXT推力器的寿命验证已经超过48000h(还在继续),PPS-1350G推力器的寿命验证达到10000h,BPT-4000的寿命验证预计超过20000h,LEEP-150完成了3000h试验。

5.3、新技术发展

  (1)电推进新技术不断扩展,包括离子和霍尔变异类型及混合类型、非传统类电推进新类型、不同推进剂类型等。

  (2)磁屏效应为霍尔推力器的长寿命问题解决带来希望。在BPT-4000推力器10400h寿命试验中,发现推力器陶瓷腔在5600~10400h之间几乎为零腐蚀。为了从根源上搞清楚,JPL支持下发展了Hall2De程序模拟推力器工作过程,并由此发现了导致腐蚀降低的磁屏效应。

  (3)环型离子推力器和DS4G多级离子推力器成为离子推力器实现高功率的主要技术途径,多通道霍尔推力器成为霍尔推力器实现高功率的主要技术途径。

  (4)非传统类型VASIMR正在成为未来大功率电推进的主要候选者。它具有比冲调节、无电极设计、多种推进剂选择、中性等离子输出、相对高效率、辐射屏蔽等优点,同时具有系统复杂尺寸大和磁场强电磁干扰大的明显缺点。

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