霍爾電推進技術(shù)促成10年后去火星

（上海空間推進研究所電推進事業(yè)部）

霍爾電推進技術(shù)促成10年后去火星

Hall Electric Propulsion Technologies Help Go to Mars 10 Years Later

張敏（上海空間推進研究所電推進事業(yè)部）

日前，中國航天科技集團公司五院502所研制的“磁聚焦霍爾電推進系統(tǒng)”在實踐—17衛(wèi)星上完成了全部在軌飛行驗證工作，這是世界首套完成在軌飛行驗證的“磁聚焦霍爾電推進系統(tǒng)”。“磁聚焦霍爾電推進系統(tǒng)”采用新一代霍爾電推進技術(shù)，代表著國際上目前的主流發(fā)展方向，可廣泛應用于我國新一代通信、全電推進等衛(wèi)星平臺。相比我國目前廣泛采用的化學推進系統(tǒng)，“磁聚焦霍爾電推進系統(tǒng)”技術(shù)比沖高出6倍以上，對于同樣的宇航任務，電推進消耗的推進劑約為化學推進的1/6，甚至更少，可顯著提升航天器有效載荷，延長航天器在軌壽命，降低航天器發(fā)射成本。

霍爾電推進技術(shù)是采用電能來加速推進劑從而產(chǎn)生推力，具有比沖高，壽命長，效率高等顯著特點。這一新型推進技術(shù)必將成為下一代空間推進的主角，推動人類空間技術(shù)的飛躍發(fā)展。霍爾電推進技術(shù)在空間探測領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢，未來更多的霍爾推力器產(chǎn)品將會被用于空間探測器的主推進系統(tǒng)，為不同航天器提供源源不斷的動力，推動人類探索空間技術(shù)的飛速發(fā)展，屬于霍爾電推進的時代已經(jīng)到來。

1 X3等離子推進器

據(jù)報道，美國航空航天局（NASA）計劃在2025年前將人類送往小行星，在2030-2035年期間向火星運送航天員。為實現(xiàn)這一目標，美國航空航天局正在積極進行等離子推進器項目的研發(fā)，該項目以較低的能源損耗，可以將航天員成功送往火星。目前密歇根州立大學NextSTEP項目的工程師們已經(jīng)成功研制出了X3等離子推進器，它也是洛克·達因公司（Aerojet Rocketdyne）XR-100推進系統(tǒng)的核心部分，該系統(tǒng)計劃在10年內(nèi)應用于宇宙飛船。

XR-100的基礎是噴射式等離子體，這是一種電子和帶電原子共存的物質(zhì)形態(tài)，等離子體從推進器尾部噴出形成推進力量。X3等離子推進器設計功率為200kW，體積較小，質(zhì)量較輕，具有一定優(yōu)勢。它含有的3個通道相互嵌套于同心環(huán)內(nèi)，該嵌套使等離子推進器能夠以200kW的功率運行，這臺推進器的耗能僅是傳統(tǒng)化學火箭的1/108，它將成為探索火星、小行星以及太陽系周邊空間的理想工具。

X3等離子推進器的核心技術(shù)是霍爾電推進技術(shù)。典型的“霍爾電推進系統(tǒng)”組成包括電推力器（產(chǎn)生推力）、推進劑貯供系統(tǒng)（提供推進劑）、功率處理單元（提供電能）、電推進控制單元（用于控制）等關(guān)鍵組件。霍爾推力器作為“霍爾電推進系統(tǒng)”的關(guān)鍵組件之一，其工作原理是利用霍爾效應原理。霍爾推力器的電子發(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(nèi)外磁線圈組成“磁路系統(tǒng)”，在放電室內(nèi)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(nèi)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的過程。

X3等離子推進器

霍爾電推進技術(shù)工作原理

2 我國霍爾電推進技術(shù)的發(fā)展歷程

20世紀60年代，在“中國航天之父”錢學森的支持下，我國開始開展電推進技術(shù)研究。由于多方原因，20世紀80年代中期到90年代中期，電推進發(fā)展基本處于停滯狀態(tài)。此時，上海空間推進研究所面對嚴峻形勢，充分調(diào)研國外電推進發(fā)展和應用情況后，于1994年率先啟動了霍爾電推進技術(shù)研究，自主研發(fā)霍爾推力器樣機，并成功實現(xiàn)了穩(wěn)定點火。

20世紀90年代末到21世紀初，在國際電推進系統(tǒng)正式商業(yè)應用的大背景下，我國重新啟動電推進研究項目。1999年3月18日，原中國航天工業(yè)總公司科技局在北京召開以任新民為組長的“電火箭研究立（開）題及技術(shù)方案論證評審會”，會議明確了霍爾電推進技術(shù)對我國未來空間技術(shù)發(fā)展的重大意義，并決定由上海空間推進研究所率先對霍爾電推進技術(shù)展開攻關(guān)并逐步實現(xiàn)工程化應用。

“十五”期間，上海空間推進研究所完成了“霍爾電推進系統(tǒng)”的工程化樣機的前期研發(fā)工作，為我國電推進空間飛行試驗奠定了基礎。“十一五”期間到“十二五”初，該所成功開展了“霍爾電推進系統(tǒng)”樣機產(chǎn)品的研制工作，并實現(xiàn)了我國電推進空間飛行驗證零突破。隨后國內(nèi)電推進需求呈現(xiàn)出井噴趨勢，為我國電推進的發(fā)展帶來了前所未有的機遇。2000年后，該所突破了“霍爾電推進系統(tǒng)”的主要關(guān)鍵技術(shù)。

2012年，上海空間推進研究所研制的HET-40霍爾電推進系統(tǒng)以實踐-9A衛(wèi)星為載體，開展了國內(nèi)霍爾電推進首次空間在軌飛行試驗。實踐-9A衛(wèi)星于2012年10月發(fā)射，至2013年底，“霍爾電推進系統(tǒng)”通過一年多的在軌試驗，完成了各項預定的試驗任務，在軌標定的技術(shù)指標與國際同類產(chǎn)品具有同等水平。國內(nèi)首次霍爾電推進在軌飛行試驗的圓滿成功，對于我國霍爾電推進技術(shù)發(fā)展意義十分重大，這代表著我國的霍爾電推進技術(shù)正式邁入工程應用階段。

我國自主研發(fā)的霍爾推力器產(chǎn)品

上海空間推進研究所電推進研究團隊經(jīng)過數(shù)十年的科研創(chuàng)新、攻堅克難，目前已取得了以5kW推力器、場發(fā)射電推進（FEEP）等為代表的一大批國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進甚至國際領(lǐng)先的研究成果，包括：①國內(nèi)首次開展40mN推力器完成2500h地面長壽命試驗；②80mN推力器完成5kh地面試驗驗證；③2～4.5A空心陰極地面長壽命試驗突破24kh大關(guān)；④5kW推力器完成磁屏蔽、長期工作熱穩(wěn)定性等重大技術(shù)突破；⑤微牛推力測量裝置完成攻關(guān)研制和試驗；⑥國內(nèi)首次開展超聲波電噴推進技術(shù)和場發(fā)射電推進技術(shù)研究；⑦開展30kW級大功率霍爾推力器技術(shù)研究。

霍爾電推進技術(shù)將應用于火星探測

3 全電推進引領(lǐng)電推進創(chuàng)新發(fā)展

國際近年來新提出一種具有劃時代意義的地球靜止軌道（GEO）航天器平臺——全電推進衛(wèi)星平臺。全電推進平臺是我國為了適應未來通信衛(wèi)星市場需求，打造的新一代高承載比、高綜合性能指標、可靈活柔性配制、支持“一箭雙星”發(fā)射的公用衛(wèi)星平臺。該平臺取消傳統(tǒng)的化學推進，采用電推進技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道變軌和地球靜止軌道的位置保持、姿態(tài)控制任務。與化學推進相比，電推進具有比沖高、效率高、省燃料、振動小、成本低、壽命長等一系列優(yōu)點，應用到航天器上可顯著減少推進劑攜帶量，從而降低衛(wèi)星質(zhì)量，減少發(fā)射成本，或增加有效載荷，提高質(zhì)量增益。

全電推進系統(tǒng)是目前世界最先進的空間推進技術(shù)。雖然化學推進系統(tǒng)和電推進系統(tǒng)都要消耗推進劑，但這2種推進系統(tǒng)的推進劑消耗量區(qū)別很大，兩者的效率高達10倍。據(jù)悉，我國未來發(fā)射的新型通信衛(wèi)星將搭載電推進系統(tǒng)出征太空，并在我國航天器上全面應用。同時，我國2020年建設的空間站也將使用新型電推進技術(shù)來進行軌道維持，這樣每年可以減少幾十噸靠飛船天地往返運輸?shù)娜剂稀Ｈ娡七M系統(tǒng)平臺是在現(xiàn)有技術(shù)條件的限制下，最大限度提升航天器有效載荷承載能力的一種新型推進方案。

4 結(jié)束語

電推進系統(tǒng)是一種全新的發(fā)展思路，有望進一步激發(fā)全球衛(wèi)星制造業(yè)降低研制成本的競爭，將對未來通信衛(wèi)星的制造和技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)生重要影響。該系統(tǒng)可廣泛用于地球靜止軌道衛(wèi)星位置保持和軌道轉(zhuǎn)移、空間探測器和載人深空探測的主推進、低軌衛(wèi)星的軌道維持等。目前，電推進系統(tǒng)的電能是由太陽能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置獲得的，所以功率有限，未來希望由核能提供，從而研制出大功率的電推進系統(tǒng)，用于打造核動力載人火星飛船，從而大大縮短飛往火星的時間。現(xiàn)在看來，“10年后去火星”不是夢，更不是電影畫面，成熟應用霍爾電推進技術(shù)，借助X3等離子推進器也許真的可以實現(xiàn)去火星上種土豆！