高性能電推進系統的發展及在GEO衛星平臺中的應用

任亞軍，王小永

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

電推進作為一種先進、高效的空間推進技術，具有比沖高、壽命長等顯著優勢，采用電推進技術可延長航天器工作壽命或提高有效載荷質量比也可減輕發射質量、降低發射成本。電推進已成為提升航天器整體性能與技術水平的重要手段，美國、俄羅斯、歐洲等國外航天技術先進國家和地區在20世紀90年代中期，已經實現了電推進系統在航天器中的商業應用，取得了顯著的經濟效益[1-2]。進入21世紀后，電推進在航天領域中的應用更加廣泛和深入[3-8]，不僅應用范圍從GEO衛星拓展到了LEO衛星和深空探測等領域，在GEO衛星上所承擔的任務也已從應用初期單一的南北位保逐步向包括南北位保、東西位保、偏心修正、動量輪卸載以及軌道轉移等在內的多任務發展。在系統調研國外電推進系統研制與發展歷程的基礎上，介紹了高性能電推進系統在國外先進GEO公用衛星平臺上的應用情況，并對電推進系統在我國GEO衛星中的應用提出了建議。

1 電推進技術的發展

自20世紀初美國科學家戈達德（Goddard）和俄羅斯科學家齊奧爾科夫斯基（Циолковский）提出用電能加速帶電粒子產生推力（即電推進）的概念以來，電推進技術已經歷了一百多年的歷程，取得了重要的理論與試驗研究成果，實現了電推進系統在航天領域的應用。

總體來看，電推進技術的發展可以劃分為四個階段[9]，第一階段：1902～1964年，為電推進概念提出及原理探索階段，該階段對電推進技術進行了大規模的理論與試驗研究，并開發出了離子、霍爾等各種類型電推進原理樣機產品；第二階段：1964～1980年，為電推進系統地面與在軌飛行驗證階段；第三階段：1980～2000年，為電推進系統初始應用階段，這一階段，世界各國的電推進產品相繼實現了空間應用；第四階段：2000～2017年，為電推進系統深化應用階段，多種類型的電推進系統在各類航天器得到廣泛應用。

目前，世界各國正在針對未來航天應用新需求，進行大功率、多功能和高性能電推進系統的開發與研制工作。

2 高性能電推進系統研制及發展

電推進系統的性能主要取決于電推力器的性能。根據工質加速方式的不同，電推力器通常分為電熱式、電磁式和靜電式三種類型。電熱式推力器利用電能加熱工質，使其氣化、分解，再經噴管膨脹后加速排出，產生推力。電磁式推力器利用電能使工質形成物質的第四態—等離子體，等離子體在外加電磁場作用下加速從噴管排出，產生推力。靜電式推力器是利用電能將易于離解的工質離解，形成電子和離子，然后使帶正電的離子在靜電場作用下加速排出而產生推力。

美、俄、日、歐等航天技術先進國家和地區相繼成功開發和研制出了數十種各種類型的電推進系統，并開展了多次在軌試驗和飛行驗證。與電熱式電推進相比，靜電式（也稱離子式）和電磁式電推進系統，具有比沖更高（1 500 s以上）、壽命長、綜合性能好等優點，屬于高性能電推進系統。

2.1 前蘇聯/俄羅斯

前蘇聯/俄羅斯是世界上最早研制和應用霍爾電推進的國家，主要研制單位為火炬設計局（Fakel），科爾德什研究中心（KeRC），中央機械制造研究院（TsNIIMAsH）等。 早在1955～1957年，前蘇聯就開始試驗脈沖等離子推力器（PPT）；1966年，庫哈托夫原子能研究所的Morozov教授成功研制和試驗了世界上第一臺靜態等離子體推力器（SPT），此后前蘇聯便將電推進研究重點放在了SPT方面，經過Fakel、莫斯科航空學院等單位長期深入的研究和改進，先后開發出了多種不同規格的霍爾電推進系統。1972年，在流星號氣象衛星上首次使用2臺SPT-60等離子體推力器進行軌道調整，1978年，又在Meteor-Priroda衛星上開展了SPT-50軌道轉移試驗，俄羅斯SPT霍爾電推進的真正空間應用是1982年5月17日發射的GEO通信衛星Kosmos 1366，該衛星采用4臺SPT-70霍爾推力器，執行衛星南北位保任務，1994年10月，SPT-100霍爾電推進也成功實現了空間應用。

另外，俄羅斯科爾德什研究中心從20世紀60年代開始一直在進行離子電推進的研制工作，1966～1971年前蘇聯先后在4枚琥珀號電離層探測器上，開展了電子轟擊式離子推力器空間彈道飛行試驗，1969年又在離子號地球物理探空火箭上試驗了銫接觸式離子推力器，此后很長一段時間，這類推力器的研制處于停滯狀態，直到1992年，科爾德什研究中心又開始研制直徑為5 cm和10 cm的小功率電子轟擊式離子推力器IT-50和IT-100，這兩種推力器的推力范圍分別為2～5 mN和7～18 mN。目前該中心還在發展30 cm電子轟擊式離子推力器，但俄羅斯的離子推力器至今未得到應用。表1列出了俄羅斯研制的部分高性能電推進系統的主要性能。

表1 俄羅斯高性能電推進系統主要性能Table 1 The key parameters of high performance electric propulsion system in Russia

2.2 美國

美國主要研究機構包括波音公司、NASA格倫研究中心、Aerojet公司、Busek公司和洛克希德·馬丁公司等。美國電推進發展的重點是電子轟擊式（Kaufman型）離子電推進。1959年，NASA的Har?old Kaufman研制成功了電子轟擊式離子型推力器，1964年7月，美國在SERT-1衛星上成功進行了世界上首次離子電推進系統飛行試驗，1970年2月，2臺5 cm直徑的汞離子推力器首次應用于GEO衛星執行姿態控制和南北位保任務，1974年，在應用技術衛星ATS-6上，使用2臺8 cm直徑的電子轟擊式銫離子推力器進行了南北位保試驗。20世紀80年代后，休斯公司（Hughes）和NASA的格林研究中心成功研制出了13 cm、20 cm、30 cm氙離子電推力器，并相繼開發出了XIPS-13、XIPS-25、NSTAR-30離子電推進系統，先后于1997年、1998年和1999年、2007年成功應用于GEO平臺衛星和DS-1、DWAN等深空探測航天器，1997年8月XIPS-13離子電推進系統在美國泛美衛星（PAS-5）上首次應用成功，開創了衛星推進技術的新紀元；1998年10月，世界上第一個采用電推進作為主推進的深空探測器—深空一號（DS-1）探測器發射升空，探測器上攜帶了一套NSTAR-30離子電推進執行探測器的軌道推進任務，截至2001年12月，探測器完成全部預定飛行任務，離子電推進累計在軌工作16 265 h，這是世界航天史上首次使用電推進作為主推進的星際飛行，是電推進發展史上具有里程碑意義的事件。截至2013年底，使用XIPS-13的GEO衛星總數已達到18顆離子電推進系統，應用XIPS-25離子電推進系統的衛星總數達到了20顆，XIPS-25不僅承擔衛星的全部位置保持任務，同時作為衛星入軌任務的備份推進系統，執行衛星最終GEO軌道圓化的部分軌道轉移任務。

在離子電推進系統成功實現空間應用后，美國于上世紀90年代末也啟動了霍爾電推進系統的研制工作。2001年，研制出了擬計劃用于空軍實驗室TacSat-2衛星主推進的200 W霍爾電推進系統BHT-200，2003年11月完成了壽命試驗，2005年交付用戶進行總裝，并在2006年12月16日發射的TacSat-2衛星上作為試驗載荷開展了飛行鑒定。另外，從1998年開始，在經過不斷的測試驗證及設計改進與優化后，2003年Aerjet與Busek公司聯合成功研制出了高功率霍爾推力器BPT-4000工程鑒定樣機（EQM），2004年推力器通過了全部鑒定試驗，2006年BPT-4000電推進系統研制工作全部完成，并開展6 000 h的工作壽命驗證。BPT-4000針對GEO衛星軌道轉移、在軌位保等任務應用研制，具有雙模式工作特性，4.5 kW大推力模式下的性能測試結果為推力294 mN、比沖1 844 s、效率57%，3.0 kW高比沖模式下的性能測試結果為推力168 mN、比沖1 969 s、效率56%，該推力器總沖設計值大于4.6×106N·s，開關機次數大于6 300次。

為了實現電推進應用效益最大化，2013年，美國波音公司推出全球首個全電推進衛星平臺—BBS-702SP，該平臺選用XIPS-25離子電推進系統承擔衛星的軌道轉移、在軌位保等全部推進任務，2015年3月1日，美國太空探索公司（Space X）采用獵鷹9中型火箭將亞洲廣播衛星公司ABS-2A衛星和墨西哥衛星公司Satmex-7衛星已一箭雙星方式發射升空，實現了全電推進衛星的全球首飛應用，衛星上攜帶了4臺XIPS-25離子電推力器，經過大約8個月時間的軌道轉移，可將衛星送入預定GEO軌道。

目前，美國正在進行針對未來更遠距離星際探測任務的高功率、高比沖、長壽命氙離子電推進系統的研制，主要包括針對太陽能機器人探測使命的NEXT-40、針對木星冰月探測器應用的NEXIS、Hi?PEP、碳柵極NSTAR等，其中NEXT-40已進入最后的壽命驗證階段。表2列出了美國研制的部分高性能電推進系統的主要性能。

表2 美國高性能電推進系統主要性能Table 2 The key parameters of high performance electric propulsion system inAmerica

2.3 歐洲

英國對電推進技術的研究始于1967年，研制重點集中在電子轟擊式離子電推進，2001年12月ESA發射的靜止軌道衛星—Artemis衛星采用兩套T-5離子電推進系統和兩臺德國射頻離子電推進系統RIT-10擔負衛星南北位置保持控制任務，2009年3月17日歐洲重力場測量與海洋衛星發射升空，星上裝載有兩套T-5離子電推進系統互為備份，承擔衛星的大氣阻尼補償任務，實現衛星無拖曳飛行，截至2013年衛星任務終結時，離子電推進系統累計在軌工作時間20 000 h以上。T-6離子電推進系統是英國在T-5研制基礎上針對歐洲Bepi Colombo（貝布克倫布）水星探測任務和歐洲重型GEO衛星平臺—AlphaBus平臺應用開發的一款高功率、多模式離子電推進系統，T-6推力器束流直徑22 cm，2.43 kW下的性能設計指標為推力75 mN、比沖4 120 s，4.5 kW下的推力設計指標為145 mN、比沖3 710 s，目前該系統正在進行發射前最后的地面測試與試驗。

法國在上世紀60年代曾發展過多種類型電推進系統，70年代將重點轉移至10 cm電子轟擊式離子電推進上。1992年，斯奈克瑪（Snecma）飛機制造公司與俄羅斯Fakel合作，在對SPT-70進行設計改進的基礎上研制出了PPS-1350靜態等離子體推力器。基于PPS-1350的霍爾電推進系統在2001年12月發射的法國電信衛星STENTOR上開展了南北位保試驗，隨后在2003年9月27日發射的ESA第一顆月球探測器—SMART-1上作為主推進得到了應用，PPS-1350在地面共完成了10 500 h、7 300次開關的長壽命試驗，總沖達到3.39×106N·s。1999年初，斯奈克瑪與阿爾科特（Alcatel）合作，針對歐洲未來大型商業衛星和高功率星際飛行任務應用需求，開始研制PPS-X000系列高功率霍爾電推進系統，2003年研制出了5.0 kW級的PPS-5000，典型性能為功率5.0 kW、推力200 mN、比沖2 200 s，15年GEO位保任務的設計壽命8 000 h，總比沖7×106N·s，在6.0 kW功率水平軌道轉移擴展任務中性能可達到340 mN、3 200 s，2004年底系統試驗模型完成了設計，目前正在進行地面驗證試驗。2001年，ESA與俄羅斯科爾德什研究中心合作開始為Astrium研制1.5～2.5 kW功率霍爾電推進系統ROS-2000，并在年內開展了壽命試驗，2003年2臺ROS-2000霍爾推力器完成了性能擴展試驗。

德國從事電推進系統研制的單位主要為吉森大學，從1960年起就開始獨立發展射頻離子電推進系統。表4列出了這幾款射頻離子電推進的主要性能參數。1992年，RIT-10在歐洲航天器的尤里卡（Eureca）空間平臺上開展了飛行試驗，2001年12月，ESA的阿特米斯（Artemis）衛星采用2套RIT-10和2套英國T-5離子電推進系統進行衛星南北位保任務。RIT-22針對歐洲水星探測任務所開發，RIT-45則計劃用于月球與火星運輸飛行等，其設計壽命50 000 h，在實驗室樣機上完成驗證的最高性能為57 kW、1 300 mN。

表3 法國高性能電推進系統主要性能Table 3 The key parameters of high performance electric propulsion system in France

表4 德國高性能電推進系統主要性能Table 4 The key parameters of high performance electric propulsion system in Germany

在研制傳統結構霍爾推力器的同時，歐洲Thales公司于2000年左右提出名為高效率多級等離子體推力器（High Efficient MultistagePlasma thruster，HEMP）概念。HEMP推力器采用軸向串聯的多級磁場拓撲結構，大幅降低等離子體對放電室壁的碰撞和削蝕，實現長壽命。

3 高性能電推進系統在GEO衛星平臺中的應用

GEO衛星平臺是高性能電推進系統最早開展在軌飛行驗證和最廣泛的應用領域，也是當前和將來世界各國重點發展的領域之一。為了實現更高的有效載荷容量和更長的在軌工作壽命，目前國外主流GEO公用衛星平臺，尤其是大型通信衛星平臺基本都配置了高性能電推進系統。

3.1 俄羅斯[10]

俄羅斯高軌衛星的特點是由運載火箭上面級直接送入地球靜止軌道（GEO），沒有遠地點變軌發動機，衛星軌控通過電推進實施，俄羅斯采用電推進的GEO衛星平臺主要有KAUR、快訊（Express）、和亞馬爾（Yamal）。

Yamal是俄羅斯能源火箭空間公司研制的商業通信衛星平臺，包括Yamal-100、Yamal-100M和Yamal-200等型號。俄羅斯從1999年起開始發射采用Yamal-100衛星平臺的通信衛星，每顆衛星裝有10臺C頻段轉發器，質量為1 254 kg，設計壽命10年。與Express平臺一樣，Yamal平臺也采用SPT-100霍爾電推進系統執行衛星全部位置保持任務，每顆衛星配置8臺SPT-100推力器，其首發星為Yamal-101，1999年9月6日發射。此后，俄羅斯能源火箭空間公司又研制了更先進的Yamal-300衛星平臺，采用該衛星平臺的衛星質量達到2 600 kg，有效載荷功率達10 kW，可裝24臺Ku轉發器，工作壽命達15年。

3.2 美國

3.2.1 BBS-601HP平臺

BBS-601HP平臺是美國原休斯（現為波音）公司于20世紀80年代開發的一款GEO通信衛星公用平臺，該平臺設計壽命15年，可提供給載荷的最大功率達10 kW，屬于當時最先進的衛星平臺。BBS-601平臺采用NASA GRC研制的XIPS-13離子電推進系統執行衛星南北位保任務，每顆衛星上配置4臺XIPS-13離子推力器，該平臺首發星為美國泛美衛星-5（PAS-5），于1997年8月28日發射，12年來共發射衛星18顆，使用XIPS-13離子推力器共計72臺，2009年5月16日發射的IndoStar2衛星是BBS-601HP平臺發射的最后一刻衛星，目前該平臺已退役。

3.2.2 BBS-702HP平臺

BSS-702HP平臺是Boeing公司繼BSS-601HP平臺后開發的新一代采用離子推進系統的衛星平臺。該平臺上配置有兩套完全冗余的XIPS-25離子電推進子系統，每個子系統都備有電源、推進劑供給系統和兩臺XIPS-25離子推力器，XIPS-25離子電推進子系統的主要任務是衛星在軌全壽命周期內的位置保持，在衛星入軌后，4臺離子推力器每天分別工作一次，完成衛星軌道控制所需的所有任務，包括南北位保（NSSK）、東西位保、姿態控制和動量輪卸載，子系統同時具有備份實現變軌的能力，在化學推進分系統中的遠地點發動機出現故障無法正常工作時，執行衛星軌道轉移任務，該功能已在部分衛星上實現了應用，子系統很好地完成了衛星從GTO+到GEO最后階段的軌道圓化等部分變軌任務。BSS-702HP平臺首發星—Galaxy11于1999年12月22日由Ariane-44L發射，衛星質量4 484 kg，設計壽命15年。截至2013年，該平臺共發射衛星22顆，推力器使用數量88臺，目前BBS-702HP平臺仍在服役。

3.2.3 BBS-702SP

BBS-702SP平臺是美國波音公司于2012年3月向全世界推出了一款中小型全電推進衛星平臺，也是全球第一個全電推進衛星平臺。該平臺本體尺寸1.8 m×1.9 m×3.5 m，發射質量不超過2 t，可承載500 kg有效載荷（51路轉發器），3～8 kW有效載荷功率，設計壽命15年。BBS-702SP最大特點是取消了雙組元化學推進系統，采用電進推實現變軌和位置保持，平臺采用4臺XIPS-25離子推力器承擔星箭分離后包括軌道轉移和南北位保在內的衛星全部推進任務，變軌時2臺推力器同時工作，電推進系統推進劑（氙氣）攜帶量可達400 kg。BBS-702SP平臺由于質量變小，可采用一箭雙星發射，從而可大幅節省發射成本。該平臺一經推出，即獲得4顆衛星研制合同。2015年3月1日，美國太空探索公司（SpaceX）采用獵鷹9號中型火箭將2顆BBS-702SP平臺衛星—亞洲廣播衛星公司衛星ABS-3和歐洲通信衛星-115West B送入遠地點高度63 000 km、近地點高度410 km、傾角為24.8°的GTO轉移軌道，經過XIPS-25離子電推進系統8個月左右的變軌推進，衛星最終準確進入預定的GEO軌道。

3.3 歐洲

3.3.1 ARTEMIS衛星

ARTEMIS是由Alenia Spazio公司作為主研制方，為歐空局提供的地球靜止軌道衛星，主要目的是應用和提高先進的通訊技術。ARTEMIS衛星為三軸穩定衛星，發射質量3 100 kg，設計壽命10年。為了提高衛星南北位保的能力，驗證離子推進系統的性能，ESA于2001年7月12日采用阿里安5火箭發射了ARTEMIS，星上裝有2臺德國RIT-10射頻離子推力器和2臺英國的T-5電子轟擊式離子推力器承載南北位置保持任務，可惜由于運載火箭末級發生故障，衛星發射失敗，衛星進入無用的低橢圓軌道上。后來利用星上的RIT-10推力器，經過18個月軌道轉移，于2003年1月31日成功將衛星從31 000 km的停泊軌道，挽救至預定的GEO，充分驗證了高性能電推進系統承擔GEO衛星軌道轉移的能力。3.3.2 AlphaBUS平臺

AlphaBUS平臺是ESA、Astrium和Thales聯合開發的歐洲新一代超大型通信衛星平臺，是目前世界上綜合性能最高的通信衛星平臺，平臺起飛質量8 600 kg、載荷質量1 500 kg、載荷功率12～18 kW，設計壽命15年。與第四代通信衛星平臺相比，Al?phaBUS具有更高功率、更大的容量和更長的使用壽命。AlphaBUS平臺采用穩態等離子體電推進系統執行衛星南北位置保持任務，所使用的推力器為法國SNECMA的霍爾型PPS-1350-G，電推進系統配置的推力器數量為4臺。2007年11月ESA與海事衛星（Inmarsat）簽署AlphaBUS平臺首發星發射合同，衛星名稱為AlphasatⅠ-XL。2013年7月25日，ESA在法屬圭亞那航天中心用Arinane-5成功發射國際海事衛星組織海事衛星-4AF4通信衛星群的最大衛星AlphasatⅠ-XL，該衛星質量6 649 kg，號稱世界上最重通信衛星。AlphaBUS初期采用4臺PPS1350-G霍爾推力器執行南北位置保持任務，后期計劃采用5 kW級的PPS 5000霍爾推力器，擴展執行軌道提升任務。

4 結論與建議

分析國外高性能電推進系統發展與GEO平臺應用歷程，有五個方面的特點：（1）在GEO平臺中得到廣泛應用的高性能電推進系統主要包括靜電加速式離子電推進系統和霍爾式穩態等離子體電推進系統兩種類型；（2）GEO平臺南北位保任務主要采用1.0 kW級中等功率電推進系統，全位保+部分軌道轉移任務和全電推進平臺主要采用5.0 kW級多模式高功率電推進系統；（3）電推進商業應用前，均開展了非常充分的驗證試驗，尤其是在軌飛行驗證；（4）應用初期主要以單一的南北位保任務為主，待技術成熟和應用穩定后，逐步向全位保+部分軌道轉移的多任務應用發展，最后實現以全電推進為代表的全面、深化應用；（5）電推進在GEO平臺中的應用已經打破了國與國之間的界限，美國衛星平臺廣泛采用俄羅斯電推進產品，歐洲更是非常重視與其他航天技術先進國家之間的合作與協同，全面推動電推進系統研發和在GEO衛星中的應用。

針對國內電推進系統技術現狀及GEO衛星迫切商業應用需求，就電推進在我國GEO衛星平臺應用，提出五個方面的建議：（1）以需求為牽引，深入開展電推進GEO平臺應用所需關鍵技術攻關，盡快突破制約電推進深入應用所對應的多模式高功率電推進系統研制和多任務在軌應用等關鍵技術；（2）地面模擬與在軌飛行驗證是電推進商業飛行應用的基礎和前提，商業應用前必須開展各級試驗，確保系統可靠性與在軌應用技術驗證充分；（3）遵循循序漸進的應用發展路線，首先開展南北位保等單一任務應用，不斷完善應用技術與體系，積累應用經驗，南北位保應用技術成熟與穩定后，逐步向全位保、全位保+部分軌道轉移發展，最后進入全電推應用；（4）大力開展國際合作，吸收和借鑒國外先進研制技術和成熟應用經驗，加快我國電推進系統GEO平臺商業應用步伐；（5）高性能電推進系統開發與應用應兼顧國內任務需求及技術與產品先進性，快速提高我國GEO衛星平臺綜合性能，加速我國GEO衛星產品國際化進程。

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