（文/太陽谷）

導讀：自1902年俄羅斯的齊奧爾科夫斯基和1906年美國的哥達德博士分別提出電推進概念以來，電推進技術發(fā)展已經走過了一個多世紀的歷程，大致分四個階段：1902年～1964年為概念提出和原理探索階段，美國、英國、德國分別研制出離子電推進樣機，俄羅斯研制了霍爾電推進樣機；1964年～1980年為地面和飛行試驗階段，美國完成汞離子電推進飛行試驗，俄羅斯完成SPT霍爾電推進飛行試驗；1980年～2000年為航天器開始應用階段，俄羅斯的霍爾電推進和美國的離子型電推進相繼應用，日本、德國等其它國家的電推進也開始飛行試驗；2000年至今為電推進技術和應用快速發(fā)展階段。

與傳統(tǒng)的化學推進器相比，電力的使用增強了空間電推進（EP）器的推進性能。與化學系統(tǒng)不同，電推進只需要很小的質量就可以加速航天器?？臻g電推進（EP）器推進劑的噴射速度比傳統(tǒng)的化學推進器快20倍，因此整個系統(tǒng)的質量效率要高出許多倍。減少推進劑的大量消耗可以降低任務成本，允許在衛(wèi)星上進行更多的實驗。電力推進不受能量限制，而僅受航天器上可用電力的限制。因此，EP適用于星載低推力（微牛頓和毫牛頓水平）、長持續(xù)時間（高ISP）應用。

通常，電力推進系統(tǒng)由一個或多個電力推進器組成，這些推進器連接到功率處理單元（PPU）、推進劑存儲供給系統(tǒng)（包括儲罐、壓力調節(jié)器、流量控制單元、閥門等）以及指向機制上。下圖顯示了EP系統(tǒng)架構。

電推進是一種先進的空間推進技術。它把外部電能轉化為推進劑的噴射動能產生推力，相對化學推進具有比沖高的顯著特點。按照電推進的工作原理，傳統(tǒng)電推進分為電熱式、靜電式和電磁式三大類。

不同推進器類型的發(fā)展水平顯著不同。在歐洲，過去四十年來，電力推進的所有不同領域都取得了進展（參見下圖）。離子推進器（GIE）和霍爾效應推進器（HET）在性能方面已領先。這些推進器的功率范圍在數(shù)百瓦至數(shù)十千瓦之間，具有幾千秒到數(shù)萬秒的Isp。

霍爾推力器作為霍爾電推進系統(tǒng)的關鍵組件之一，其工作原理是利用霍爾效應原理?；魻柾屏ζ鞯碾娮影l(fā)射源是空心陰極，其發(fā)射的電子一部分進入放電室供霍爾推力器引弧并維持放電，另一部分進入霍爾推力器噴流以維持等離子體羽流的電中性；磁極與內外磁線圈組成磁路系統(tǒng)，在放電室內部形成徑向磁場；陽極/氣體分配器上施加高電壓，形成放電室內部軸向加速電場；放電室是推進劑電離和加速的場所，氣體推進劑由推進劑輸送管路和陽極/氣體分配器進入放電室，并在其中完成電離和加速。

霍爾推力器

等離子電推進用電能將惰性氣體氙氣電離，形成由離子和電子組成的等離子體，離子在電場作用下加速噴出，產生推力。并且其電離區(qū)和加速區(qū)分離，所以推力器效率更高，比沖更高，消耗推進劑更少，缺點是技術復雜，電源種類多，尺寸、重量較大。

空間電力推進應用

目前已經應用的電推進類型包括肼電熱、肼電弧、氙離子、氙霍爾、PPT等，列入應用計劃的還包括場發(fā)射、膠體等，其中直流放電型離子和SPT霍爾是目前應用最多的主流產品，已經出現(xiàn)肼電熱推力器被淘汰、肼電弧推力器被更高性能的離子推力器和霍爾推力器逐漸取代的發(fā)展趨勢。已經應用電推進的國家包括美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度等，中國、韓國、以色列等國家正在制定或實施電推進應用計劃。電推進的主用應用包括GEO位置保持、深空探測主推進、無拖曳控制、姿態(tài)控制、軌道轉移等方面，其中GEO軌道位置保持為主導性應用，深空探測主推進為快速擴展性應用。

通信衛(wèi)星領域

商業(yè)GEO通信衛(wèi)星是空間電力推進系統(tǒng)的最大市場。由于采用了NSSK和電動升軌（EOR），使得相關通信衛(wèi)星變得更具競爭力。發(fā)射器將這些衛(wèi)星送入地球靜止轉移軌道（GTO），然后通過星載推進器進行軌道提升機動以達到GEO。使用化學推進軌道上升需要長達一周的時間，與此同時一半的衛(wèi)星質量是推進劑。而使用電力推進，軌道上升需要長達六個月的時間，但發(fā)射質量可以減少40%。

使用EP的通信衛(wèi)星節(jié)省的推進劑質量可以用于容納更大和更復雜的有效載荷。此外在過去十年中，GEO通信衛(wèi)星的發(fā)展趨勢為電力需求大量增加，以滿足有效載荷的需求，而應用了EP子系統(tǒng)后衛(wèi)星就不需要額外的發(fā)電平臺。

1997年，波音公司制造了世界上第一顆美國EP電信衛(wèi)星-泛美衛(wèi)星（PanAmSat），使用XIPS離子推進系統(tǒng)進行站點保持，使用化學推進器進行軌道提升機動。

2001年，歐洲航天局（歐空局）的Artemis（先進中繼技術任務衛(wèi)星）首次展示歐洲EP推進器用于軌道提升的飛行演示，在發(fā)射器異常后將衛(wèi)星恢復到最終軌道。

Artemis

2010年，洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）的先進極高頻（AEHF）衛(wèi)星在其主化學推進系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，使用了霍爾效應推進器來完成軌道提升。

2013年，Thales和空中客車交付了第一顆大型電信衛(wèi)星Alphasat，使用一套四個Safran飛機引擎PPS1350推進器進行空間站保持。

Alphasat

2015年，波音公司成功演示了世界上第一個使用XIPS離子引擎進行車站保持和軌道提升的全電動航天器。

2017年，ESA-OHB SmallGEO平臺發(fā)射升空，配備了8個SPT-100推進器，以完成15年來的所有軌道機動。同年，空中客車DS制造的“全電動”EUTELSAT 172B衛(wèi)星，通過使用這些5千瓦的霍爾效應推進器，在創(chuàng)紀錄的時間內到達了地球靜止軌道。

ESA-OHB SmallGEO平臺

科學與探索航天器

科學航天器使用電力推進系統(tǒng)被認為是提高飛行任務性能的重要途徑。用電動推進器代替或增強化學推進器作為主要推進系統(tǒng)可以帶來以下好處：凈有效載荷質量增加；減少基于化學推進和復雜重力輔助操作的飛行時間；使用中小型運載工具的可能性（可節(jié)省大量的發(fā)射費用）；在功率可用性、衛(wèi)星質量和任務輪廓方面，特定的任務要求決定了要使用的特定EP的選擇。

國外電推進技術的發(fā)展現(xiàn)狀

當前國外電推進技術的發(fā)展現(xiàn)狀可以歸納為7個方面。

此外，NASA計劃將地月空間用作低地球軌道以遠的未來載人深空任務的試驗場，“小行星重定向機器人任務”（ARRM）屬于該計劃的一部分。NASA科學家設想在ARRM項目中執(zhí)行一些演示驗證任務，包括利用可使推力提升20倍的深空太陽能電力推進技術，執(zhí)行大型有效載荷的空間運輸與機動飛行；從一顆小行星上獲取重量超過20噸的巨石，并將其重新定位于繞月軌道，航天員可在未來抵達該軌道；并在未來一體化的載人與機器人飛行器深空任務中使用。

全電推進技術研究現(xiàn)狀

目前國外電推進技術研究的重點，集中于對GEO衛(wèi)星軌道控制、軌道轉移以及深空探測等多任務應用的多模式電推進領域，主要的研究國家有美國、俄羅斯、日本、英國、德國和法國等，其中美國、日本、英國和德國的研究重點為離子電推進，俄羅斯與法國則主要針對霍爾電推進開展研究，各個國家經過十多年的努力，多款多模式電推進系統(tǒng)相繼研制成功并完成了大量地面試驗驗證，部分多模式電推進系統(tǒng)在GEO衛(wèi)星平臺上得到了廣泛應用。

美國的XIPS-25離子電推進系統(tǒng)首次成功應用于Galaxy11大型通信衛(wèi)星執(zhí)行衛(wèi)星南北位保任務之后，在BBS-702HP平臺各種衛(wèi)星上得到廣泛應用，承擔衛(wèi)星在軌工作期間的南北位保任務，以及變軌末期的GEO軌道圓化等部分軌道轉移任務。

XIPS-25離子電推進系統(tǒng)主要技術指標與工作參數(shù)

我國首個全電推進衛(wèi)星平臺和下一代地球同步軌道衛(wèi)星平臺均計劃采用電推進系統(tǒng)，承擔衛(wèi)星在軌期間的全位保和軌道轉移任務。近年來，國內在電推進技術研究與產品研發(fā)方面取得了快速發(fā)展，離子與霍爾兩種國際主流電推進系統(tǒng)研制所涉及的許多關鍵技術陸續(xù)得到解決與突破，多種類型、不同規(guī)格的單模式電推進產品相繼研制成功，并完成或即將開展在軌飛行試驗，針對通信衛(wèi)星的全電推進平臺也在開發(fā)研制過程中。為我國電推進產品的航天型號應用奠定了良好的技術與產品基礎，與國外航天技術先進國家之間在電推進領域的技術與產品差距顯著縮小。