高性能電推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展及在GEO衛(wèi)星平臺(tái)中的應(yīng)用

任亞軍，王小永

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

電推進(jìn)作為一種先進(jìn)、高效的空間推進(jìn)技術(shù)，具有比沖高、壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)勢(shì)，采用電推進(jìn)技術(shù)可延長(zhǎng)航天器工作壽命或提高有效載荷質(zhì)量比也可減輕發(fā)射質(zhì)量、降低發(fā)射成本。電推進(jìn)已成為提升航天器整體性能與技術(shù)水平的重要手段，美國(guó)、俄羅斯、歐洲等國(guó)外航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)在20世紀(jì)90年代中期，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)系統(tǒng)在航天器中的商業(yè)應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì)后，電推進(jìn)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用更加廣泛和深入[3-8]，不僅應(yīng)用范圍從GEO衛(wèi)星拓展到了LEO衛(wèi)星和深空探測(cè)等領(lǐng)域，在GEO衛(wèi)星上所承擔(dān)的任務(wù)也已從應(yīng)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(dòng)量輪卸載以及軌道轉(zhuǎn)移等在內(nèi)的多任務(wù)發(fā)展。在系統(tǒng)調(diào)研國(guó)外電推進(jìn)系統(tǒng)研制與發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，介紹了高性能電推進(jìn)系統(tǒng)在國(guó)外先進(jìn)GEO公用衛(wèi)星平臺(tái)上的應(yīng)用情況，并對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)在我國(guó)GEO衛(wèi)星中的應(yīng)用提出了建議。

1 電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展

自20世紀(jì)初美國(guó)科學(xué)家戈達(dá)德（Goddard）和俄羅斯科學(xué)家齊奧爾科夫斯基（Циолковский）提出用電能加速帶電粒子產(chǎn)生推力（即電推進(jìn)）的概念以來(lái)，電推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)歷了一百多年的歷程，取得了重要的理論與試驗(yàn)研究成果，實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)系統(tǒng)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

總體來(lái)看，電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展可以劃分為四個(gè)階段[9]，第一階段：1902～1964年，為電推進(jìn)概念提出及原理探索階段，該階段對(duì)電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的理論與試驗(yàn)研究，并開(kāi)發(fā)出了離子、霍爾等各種類型電推進(jìn)原理樣機(jī)產(chǎn)品；第二階段：1964～1980年，為電推進(jìn)系統(tǒng)地面與在軌飛行驗(yàn)證階段；第三階段：1980～2000年，為電推進(jìn)系統(tǒng)初始應(yīng)用階段，這一階段，世界各國(guó)的電推進(jìn)產(chǎn)品相繼實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用；第四階段：2000～2017年，為電推進(jìn)系統(tǒng)深化應(yīng)用階段，多種類型的電推進(jìn)系統(tǒng)在各類航天器得到廣泛應(yīng)用。

目前，世界各國(guó)正在針對(duì)未來(lái)航天應(yīng)用新需求，進(jìn)行大功率、多功能和高性能電推進(jìn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研制工作。

2 高性能電推進(jìn)系統(tǒng)研制及發(fā)展

電推進(jìn)系統(tǒng)的性能主要取決于電推力器的性能。根據(jù)工質(zhì)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(zhì)，使其氣化、分解，再經(jīng)噴管膨脹后加速排出，產(chǎn)生推力。電磁式推力器利用電能使工質(zhì)形成物質(zhì)的第四態(tài)—等離子體，等離子體在外加電磁場(chǎng)作用下加速?gòu)膰姽芘懦觯a(chǎn)生推力。靜電式推力器是利用電能將易于離解的工質(zhì)離解，形成電子和離子，然后使帶正電的離子在靜電場(chǎng)作用下加速排出而產(chǎn)生推力。

美、俄、日、歐等航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)家和地區(qū)相繼成功開(kāi)發(fā)和研制出了數(shù)十種各種類型的電推進(jìn)系統(tǒng)，并開(kāi)展了多次在軌試驗(yàn)和飛行驗(yàn)證。與電熱式電推進(jìn)相比，靜電式（也稱離子式）和電磁式電推進(jìn)系統(tǒng)，具有比沖更高（1 500 s以上）、壽命長(zhǎng)、綜合性能好等優(yōu)點(diǎn)，屬于高性能電推進(jìn)系統(tǒng)。

2.1 前蘇聯(lián)/俄羅斯

前蘇聯(lián)/俄羅斯是世界上最早研制和應(yīng)用霍爾電推進(jìn)的國(guó)家，主要研制單位為火炬設(shè)計(jì)局（Fakel），科爾德什研究中心（KeRC），中央機(jī)械制造研究院（TsNIIMAsH）等。 早在1955～1957年，前蘇聯(lián)就開(kāi)始試驗(yàn)脈沖等離子推力器（PPT）；1966年，庫(kù)哈托夫原子能研究所的Morozov教授成功研制和試驗(yàn)了世界上第一臺(tái)靜態(tài)等離子體推力器（SPT），此后前蘇聯(lián)便將電推進(jìn)研究重點(diǎn)放在了SPT方面，經(jīng)過(guò)Fakel、莫斯科航空學(xué)院等單位長(zhǎng)期深入的研究和改進(jìn)，先后開(kāi)發(fā)出了多種不同規(guī)格的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)。1972年，在流星號(hào)氣象衛(wèi)星上首次使用2臺(tái)SPT-60等離子體推力器進(jìn)行軌道調(diào)整，1978年，又在Meteor-Priroda衛(wèi)星上開(kāi)展了SPT-50軌道轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，俄羅斯SPT霍爾電推進(jìn)的真正空間應(yīng)用是1982年5月17日發(fā)射的GEO通信衛(wèi)星Kosmos 1366，該衛(wèi)星采用4臺(tái)SPT-70霍爾推力器，執(zhí)行衛(wèi)星南北位保任務(wù)，1994年10月，SPT-100霍爾電推進(jìn)也成功實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用。

另外，俄羅斯科爾德什研究中心從20世紀(jì)60年代開(kāi)始一直在進(jìn)行離子電推進(jìn)的研制工作，1966～1971年前蘇聯(lián)先后在4枚琥珀號(hào)電離層探測(cè)器上，開(kāi)展了電子轟擊式離子推力器空間彈道飛行試驗(yàn)，1969年又在離子號(hào)地球物理探空火箭上試驗(yàn)了銫接觸式離子推力器，此后很長(zhǎng)一段時(shí)間，這類推力器的研制處于停滯狀態(tài)，直到1992年，科爾德什研究中心又開(kāi)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(fā)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(yīng)用。表1列出了俄羅斯研制的部分高性能電推進(jìn)系統(tǒng)的主要性能。

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

2.2 美國(guó)

美國(guó)主要研究機(jī)構(gòu)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(guó)電推進(jìn)發(fā)展的重點(diǎn)是電子轟擊式（Kaufman型）離子電推進(jìn)。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(guó)在SERT-1衛(wèi)星上成功進(jìn)行了世界上首次離子電推進(jìn)系統(tǒng)飛行試驗(yàn)，1970年2月，2臺(tái)5 cm直徑的汞離子推力器首次應(yīng)用于GEO衛(wèi)星執(zhí)行姿態(tài)控制和南北位保任務(wù)，1974年，在應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星ATS-6上，使用2臺(tái)8 cm直徑的電子轟擊式銫離子推力器進(jìn)行了南北位保試驗(yàn)。20世紀(jì)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(kāi)發(fā)出了XIPS-13、XIPS-25、NSTAR-30離子電推進(jìn)系統(tǒng)，先后于1997年、1998年和1999年、2007年成功應(yīng)用于GEO平臺(tái)衛(wèi)星和DS-1、DWAN等深空探測(cè)航天器，1997年8月XIPS-13離子電推進(jìn)系統(tǒng)在美國(guó)泛美衛(wèi)星（PAS-5）上首次應(yīng)用成功，開(kāi)創(chuàng)了衛(wèi)星推進(jìn)技術(shù)的新紀(jì)元；1998年10月，世界上第一個(gè)采用電推進(jìn)作為主推進(jìn)的深空探測(cè)器—深空一號(hào)（DS-1）探測(cè)器發(fā)射升空，探測(cè)器上攜帶了一套NSTAR-30離子電推進(jìn)執(zhí)行探測(cè)器的軌道推進(jìn)任務(wù)，截至2001年12月，探測(cè)器完成全部預(yù)定飛行任務(wù)，離子電推進(jìn)累計(jì)在軌工作16 265 h，這是世界航天史上首次使用電推進(jìn)作為主推進(jìn)的星際飛行，是電推進(jìn)發(fā)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(wèi)星總數(shù)已達(dá)到18顆離子電推進(jìn)系統(tǒng)，應(yīng)用XIPS-25離子電推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到了20顆，XIPS-25不僅承擔(dān)衛(wèi)星的全部位置保持任務(wù)，同時(shí)作為衛(wèi)星入軌任務(wù)的備份推進(jìn)系統(tǒng)，執(zhí)行衛(wèi)星最終GEO軌道圓化的部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)。

在離子電推進(jìn)系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用后，美國(guó)于上世紀(jì)90年代末也啟動(dòng)了霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)的研制工作。2001年，研制出了擬計(jì)劃用于空軍實(shí)驗(yàn)室TacSat-2衛(wèi)星主推進(jìn)的200 W霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)BHT-200，2003年11月完成了壽命試驗(yàn)，2005年交付用戶進(jìn)行總裝，并在2006年12月16日發(fā)射的TacSat-2衛(wèi)星上作為試驗(yàn)載荷開(kāi)展了飛行鑒定。另外，從1998年開(kāi)始，在經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試驗(yàn)證及設(shè)計(jì)改進(jìn)與優(yōu)化后，2003年Aerjet與Busek公司聯(lián)合成功研制出了高功率霍爾推力器BPT-4000工程鑒定樣機(jī)（EQM），2004年推力器通過(guò)了全部鑒定試驗(yàn)，2006年BPT-4000電推進(jìn)系統(tǒng)研制工作全部完成，并開(kāi)展6 000 h的工作壽命驗(yàn)證。BPT-4000針對(duì)GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移、在軌位保等任務(wù)應(yīng)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(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果為推力168 mN、比沖1 969 s、效率56%，該推力器總沖設(shè)計(jì)值大于4.6×106N·s，開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)大于6 300次。

為了實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)應(yīng)用效益最大化，2013年，美國(guó)波音公司推出全球首個(gè)全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)—BBS-702SP，該平臺(tái)選用XIPS-25離子電推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)衛(wèi)星的軌道轉(zhuǎn)移、在軌位保等全部推進(jìn)任務(wù)，2015年3月1日，美國(guó)太空探索公司（Space X）采用獵鷹9中型火箭將亞洲廣播衛(wèi)星公司ABS-2A衛(wèi)星和墨西哥衛(wèi)星公司Satmex-7衛(wèi)星已一箭雙星方式發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)了全電推進(jìn)衛(wèi)星的全球首飛應(yīng)用，衛(wèi)星上攜帶了4臺(tái)XIPS-25離子電推力器，經(jīng)過(guò)大約8個(gè)月時(shí)間的軌道轉(zhuǎn)移，可將衛(wèi)星送入預(yù)定GEO軌道。

目前，美國(guó)正在進(jìn)行針對(duì)未來(lái)更遠(yuǎn)距離星際探測(cè)任務(wù)的高功率、高比沖、長(zhǎng)壽命氙離子電推進(jìn)系統(tǒng)的研制，主要包括針對(duì)太陽(yáng)能機(jī)器人探測(cè)使命的NEXT-40、針對(duì)木星冰月探測(cè)器應(yīng)用的NEXIS、Hi?PEP、碳柵極NSTAR等，其中NEXT-40已進(jìn)入最后的壽命驗(yàn)證階段。表2列出了美國(guó)研制的部分高性能電推進(jìn)系統(tǒng)的主要性能。

表2 美國(guó)高性能電推進(jìn)系統(tǒng)主要性能Table 2 The key parameters of high performance electric propulsion system inAmerica

2.3 歐洲

英國(guó)對(duì)電推進(jìn)技術(shù)的研究始于1967年，研制重點(diǎn)集中在電子轟擊式離子電推進(jìn)，2001年12月ESA發(fā)射的靜止軌道衛(wèi)星—Artemis衛(wèi)星采用兩套T-5離子電推進(jìn)系統(tǒng)和兩臺(tái)德國(guó)射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)RIT-10擔(dān)負(fù)衛(wèi)星南北位置保持控制任務(wù)，2009年3月17日歐洲重力場(chǎng)測(cè)量與海洋衛(wèi)星發(fā)射升空，星上裝載有兩套T-5離子電推進(jìn)系統(tǒng)互為備份，承擔(dān)衛(wèi)星的大氣阻尼補(bǔ)償任務(wù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星無(wú)拖曳飛行，截至2013年衛(wèi)星任務(wù)終結(jié)時(shí)，離子電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)在軌工作時(shí)間20 000 h以上。T-6離子電推進(jìn)系統(tǒng)是英國(guó)在T-5研制基礎(chǔ)上針對(duì)歐洲Bepi Colombo（貝布克倫布）水星探測(cè)任務(wù)和歐洲重型GEO衛(wèi)星平臺(tái)—AlphaBus平臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一款高功率、多模式離子電推進(jìn)系統(tǒng)，T-6推力器束流直徑22 cm，2.43 kW下的性能設(shè)計(jì)指標(biāo)為推力75 mN、比沖4 120 s，4.5 kW下的推力設(shè)計(jì)指標(biāo)為145 mN、比沖3 710 s，目前該系統(tǒng)正在進(jìn)行發(fā)射前最后的地面測(cè)試與試驗(yàn)。

法國(guó)在上世紀(jì)60年代曾發(fā)展過(guò)多種類型電推進(jìn)系統(tǒng)，70年代將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至10 cm電子轟擊式離子電推進(jìn)上。1992年，斯奈克瑪（Snecma）飛機(jī)制造公司與俄羅斯Fakel合作，在對(duì)SPT-70進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)的基礎(chǔ)上研制出了PPS-1350靜態(tài)等離子體推力器。基于PPS-1350的霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)在2001年12月發(fā)射的法國(guó)電信衛(wèi)星STENTOR上開(kāi)展了南北位保試驗(yàn)，隨后在2003年9月27日發(fā)射的ESA第一顆月球探測(cè)器—SMART-1上作為主推進(jìn)得到了應(yīng)用，PPS-1350在地面共完成了10 500 h、7 300次開(kāi)關(guān)的長(zhǎng)壽命試驗(yàn)，總沖達(dá)到3.39×106N·s。1999年初，斯奈克瑪與阿爾科特（Alcatel）合作，針對(duì)歐洲未來(lái)大型商業(yè)衛(wèi)星和高功率星際飛行任務(wù)應(yīng)用需求，開(kāi)始研制PPS-X000系列高功率霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，2003年研制出了5.0 kW級(jí)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(wù)的設(shè)計(jì)壽命8 000 h，總比沖7×106N·s，在6.0 kW功率水平軌道轉(zhuǎn)移擴(kuò)展任務(wù)中性能可達(dá)到340 mN、3 200 s，2004年底系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯瓿闪嗽O(shè)計(jì)，目前正在進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn)。2001年，ESA與俄羅斯科爾德什研究中心合作開(kāi)始為Astrium研制1.5～2.5 kW功率霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)ROS-2000，并在年內(nèi)開(kāi)展了壽命試驗(yàn)，2003年2臺(tái)ROS-2000霍爾推力器完成了性能擴(kuò)展試驗(yàn)。

德國(guó)從事電推進(jìn)系統(tǒng)研制的單位主要為吉森大學(xué)，從1960年起就開(kāi)始獨(dú)立發(fā)展射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)。表4列出了這幾款射頻離子電推進(jìn)的主要性能參數(shù)。1992年，RIT-10在歐洲航天器的尤里卡（Eureca）空間平臺(tái)上開(kāi)展了飛行試驗(yàn)，2001年12月，ESA的阿特米斯（Artemis）衛(wèi)星采用2套R(shí)IT-10和2套英國(guó)T-5離子電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行衛(wèi)星南北位保任務(wù)。RIT-22針對(duì)歐洲水星探測(cè)任務(wù)所開(kāi)發(fā)，RIT-45則計(jì)劃用于月球與火星運(yùn)輸飛行等，其設(shè)計(jì)壽命50 000 h，在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)上完成驗(yàn)證的最高性能為57 kW、1 300 mN。

表3 法國(guó)高性能電推進(jìn)系統(tǒng)主要性能Table 3 The key parameters of high performance electric propulsion system in France

表4 德國(guó)高性能電推進(jìn)系統(tǒng)主要性能Table 4 The key parameters of high performance electric propulsion system in Germany

在研制傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)霍爾推力器的同時(shí)，歐洲Thales公司于2000年左右提出名為高效率多級(jí)等離子體推力器（High Efficient MultistagePlasma thruster，HEMP）概念。HEMP推力器采用軸向串聯(lián)的多級(jí)磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大幅降低等離子體對(duì)放電室壁的碰撞和削蝕，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命。

3 高性能電推進(jìn)系統(tǒng)在GEO衛(wèi)星平臺(tái)中的應(yīng)用

GEO衛(wèi)星平臺(tái)是高性能電推進(jìn)系統(tǒng)最早開(kāi)展在軌飛行驗(yàn)證和最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，也是當(dāng)前和將來(lái)世界各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。為了實(shí)現(xiàn)更高的有效載荷容量和更長(zhǎng)的在軌工作壽命，目前國(guó)外主流GEO公用衛(wèi)星平臺(tái)，尤其是大型通信衛(wèi)星平臺(tái)基本都配置了高性能電推進(jìn)系統(tǒng)。

3.1 俄羅斯[10]

俄羅斯高軌衛(wèi)星的特點(diǎn)是由運(yùn)載火箭上面級(jí)直接送入地球靜止軌道（GEO），沒(méi)有遠(yuǎn)地點(diǎn)變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，衛(wèi)星軌控通過(guò)電推進(jìn)實(shí)施，俄羅斯采用電推進(jìn)的GEO衛(wèi)星平臺(tái)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(yè)通信衛(wèi)星平臺(tái)，包括Yamal-100、Yamal-100M和Yamal-200等型號(hào)。俄羅斯從1999年起開(kāi)始發(fā)射采用Yamal-100衛(wèi)星平臺(tái)的通信衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星裝有10臺(tái)C頻段轉(zhuǎn)發(fā)器，質(zhì)量為1 254 kg，設(shè)計(jì)壽命10年。與Express平臺(tái)一樣，Yamal平臺(tái)也采用SPT-100霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行衛(wèi)星全部位置保持任務(wù)，每顆衛(wèi)星配置8臺(tái)SPT-100推力器，其首發(fā)星為Yamal-101，1999年9月6日發(fā)射。此后，俄羅斯能源火箭空間公司又研制了更先進(jìn)的Yamal-300衛(wèi)星平臺(tái)，采用該衛(wèi)星平臺(tái)的衛(wèi)星質(zhì)量達(dá)到2 600 kg，有效載荷功率達(dá)10 kW，可裝24臺(tái)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器，工作壽命達(dá)15年。

3.2 美國(guó)

3.2.1 BBS-601HP平臺(tái)

BBS-601HP平臺(tái)是美國(guó)原休斯（現(xiàn)為波音）公司于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一款GEO通信衛(wèi)星公用平臺(tái)，該平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命15年，可提供給載荷的最大功率達(dá)10 kW，屬于當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的衛(wèi)星平臺(tái)。BBS-601平臺(tái)采用NASA GRC研制的XIPS-13離子電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行衛(wèi)星南北位保任務(wù)，每顆衛(wèi)星上配置4臺(tái)XIPS-13離子推力器，該平臺(tái)首發(fā)星為美國(guó)泛美衛(wèi)星-5（PAS-5），于1997年8月28日發(fā)射，12年來(lái)共發(fā)射衛(wèi)星18顆，使用XIPS-13離子推力器共計(jì)72臺(tái)，2009年5月16日發(fā)射的IndoStar2衛(wèi)星是BBS-601HP平臺(tái)發(fā)射的最后一刻衛(wèi)星，目前該平臺(tái)已退役。

3.2.2 BBS-702HP平臺(tái)

BSS-702HP平臺(tái)是Boeing公司繼BSS-601HP平臺(tái)后開(kāi)發(fā)的新一代采用離子推進(jìn)系統(tǒng)的衛(wèi)星平臺(tái)。該平臺(tái)上配置有兩套完全冗余的XIPS-25離子電推進(jìn)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都備有電源、推進(jìn)劑供給系統(tǒng)和兩臺(tái)XIPS-25離子推力器，XIPS-25離子電推進(jìn)子系統(tǒng)的主要任務(wù)是衛(wèi)星在軌全壽命周期內(nèi)的位置保持，在衛(wèi)星入軌后，4臺(tái)離子推力器每天分別工作一次，完成衛(wèi)星軌道控制所需的所有任務(wù)，包括南北位保（NSSK）、東西位保、姿態(tài)控制和動(dòng)量輪卸載，子系統(tǒng)同時(shí)具有備份實(shí)現(xiàn)變軌的能力，在化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)中的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障無(wú)法正常工作時(shí)，執(zhí)行衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，該功能已在部分衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，子系統(tǒng)很好地完成了衛(wèi)星從GTO+到GEO最后階段的軌道圓化等部分變軌任務(wù)。BSS-702HP平臺(tái)首發(fā)星—Galaxy11于1999年12月22日由Ariane-44L發(fā)射，衛(wèi)星質(zhì)量4 484 kg，設(shè)計(jì)壽命15年。截至2013年，該平臺(tái)共發(fā)射衛(wèi)星22顆，推力器使用數(shù)量88臺(tái)，目前BBS-702HP平臺(tái)仍在服役。

3.2.3 BBS-702SP

BBS-702SP平臺(tái)是美國(guó)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(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)，也是全球第一個(gè)全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)。該平臺(tái)本體尺寸1.8 m×1.9 m×3.5 m，發(fā)射質(zhì)量不超過(guò)2 t，可承載500 kg有效載荷（51路轉(zhuǎn)發(fā)器），3～8 kW有效載荷功率，設(shè)計(jì)壽命15年。BBS-702SP最大特點(diǎn)是取消了雙組元化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)，采用電進(jìn)推實(shí)現(xiàn)變軌和位置保持，平臺(tái)采用4臺(tái)XIPS-25離子推力器承擔(dān)星箭分離后包括軌道轉(zhuǎn)移和南北位保在內(nèi)的衛(wèi)星全部推進(jìn)任務(wù)，變軌時(shí)2臺(tái)推力器同時(shí)工作，電推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)劑（氙氣）攜帶量可達(dá)400 kg。BBS-702SP平臺(tái)由于質(zhì)量變小，可采用一箭雙星發(fā)射，從而可大幅節(jié)省發(fā)射成本。該平臺(tái)一經(jīng)推出，即獲得4顆衛(wèi)星研制合同。2015年3月1日，美國(guó)太空探索公司（SpaceX）采用獵鷹9號(hào)中型火箭將2顆BBS-702SP平臺(tái)衛(wèi)星—亞洲廣播衛(wèi)星公司衛(wèi)星ABS-3和歐洲通信衛(wèi)星-115West B送入遠(yuǎn)地點(diǎn)高度63 000 km、近地點(diǎn)高度410 km、傾角為24.8°的GTO轉(zhuǎn)移軌道，經(jīng)過(guò)XIPS-25離子電推進(jìn)系統(tǒng)8個(gè)月左右的變軌推進(jìn)，衛(wèi)星最終準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定的GEO軌道。

3.3 歐洲

3.3.1 ARTEMIS衛(wèi)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(wèi)星，主要目的是應(yīng)用和提高先進(jìn)的通訊技術(shù)。ARTEMIS衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，發(fā)射質(zhì)量3 100 kg，設(shè)計(jì)壽命10年。為了提高衛(wèi)星南北位保的能力，驗(yàn)證離子推進(jìn)系統(tǒng)的性能，ESA于2001年7月12日采用阿里安5火箭發(fā)射了ARTEMIS，星上裝有2臺(tái)德國(guó)RIT-10射頻離子推力器和2臺(tái)英國(guó)的T-5電子轟擊式離子推力器承載南北位置保持任務(wù)，可惜由于運(yùn)載火箭末級(jí)發(fā)生故障，衛(wèi)星發(fā)射失敗，衛(wèi)星進(jìn)入無(wú)用的低橢圓軌道上。后來(lái)利用星上的RIT-10推力器，經(jīng)過(guò)18個(gè)月軌道轉(zhuǎn)移，于2003年1月31日成功將衛(wèi)星從31 000 km的停泊軌道，挽救至預(yù)定的GEO，充分驗(yàn)證了高性能電推進(jìn)系統(tǒng)承擔(dān)GEO衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移的能力。3.3.2 AlphaBUS平臺(tái)

AlphaBUS平臺(tái)是ESA、Astrium和Thales聯(lián)合開(kāi)發(fā)的歐洲新一代超大型通信衛(wèi)星平臺(tái)，是目前世界上綜合性能最高的通信衛(wèi)星平臺(tái)，平臺(tái)起飛質(zhì)量8 600 kg、載荷質(zhì)量1 500 kg、載荷功率12～18 kW，設(shè)計(jì)壽命15年。與第四代通信衛(wèi)星平臺(tái)相比，Al?phaBUS具有更高功率、更大的容量和更長(zhǎng)的使用壽命。AlphaBUS平臺(tái)采用穩(wěn)態(tài)等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)執(zhí)行衛(wèi)星南北位置保持任務(wù)，所使用的推力器為法國(guó)SNECMA的霍爾型PPS-1350-G，電推進(jìn)系統(tǒng)配置的推力器數(shù)量為4臺(tái)。2007年11月ESA與海事衛(wèi)星（Inmarsat）簽署AlphaBUS平臺(tái)首發(fā)星發(fā)射合同，衛(wèi)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(fā)射國(guó)際海事衛(wèi)星組織海事衛(wèi)星-4AF4通信衛(wèi)星群的最大衛(wèi)星AlphasatⅠ-XL，該衛(wèi)星質(zhì)量6 649 kg，號(hào)稱世界上最重通信衛(wèi)星。AlphaBUS初期采用4臺(tái)PPS1350-G霍爾推力器執(zhí)行南北位置保持任務(wù)，后期計(jì)劃采用5 kW級(jí)的PPS 5000霍爾推力器，擴(kuò)展執(zhí)行軌道提升任務(wù)。

4 結(jié)論與建議

分析國(guó)外高性能電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展與GEO平臺(tái)應(yīng)用歷程，有五個(gè)方面的特點(diǎn)：（1）在GEO平臺(tái)中得到廣泛應(yīng)用的高性能電推進(jìn)系統(tǒng)主要包括靜電加速式離子電推進(jìn)系統(tǒng)和霍爾式穩(wěn)態(tài)等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)兩種類型；（2）GEO平臺(tái)南北位保任務(wù)主要采用1.0 kW級(jí)中等功率電推進(jìn)系統(tǒng)，全位保+部分軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)和全電推進(jìn)平臺(tái)主要采用5.0 kW級(jí)多模式高功率電推進(jìn)系統(tǒng)；（3）電推進(jìn)商業(yè)應(yīng)用前，均開(kāi)展了非常充分的驗(yàn)證試驗(yàn)，尤其是在軌飛行驗(yàn)證；（4）應(yīng)用初期主要以單一的南北位保任務(wù)為主，待技術(shù)成熟和應(yīng)用穩(wěn)定后，逐步向全位保+部分軌道轉(zhuǎn)移的多任務(wù)應(yīng)用發(fā)展，最后實(shí)現(xiàn)以全電推進(jìn)為代表的全面、深化應(yīng)用；（5）電推進(jìn)在GEO平臺(tái)中的應(yīng)用已經(jīng)打破了國(guó)與國(guó)之間的界限，美國(guó)衛(wèi)星平臺(tái)廣泛采用俄羅斯電推進(jìn)產(chǎn)品，歐洲更是非常重視與其他航天技術(shù)先進(jìn)國(guó)家之間的合作與協(xié)同，全面推動(dòng)電推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)和在GEO衛(wèi)星中的應(yīng)用。

針對(duì)國(guó)內(nèi)電推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及GEO衛(wèi)星迫切商業(yè)應(yīng)用需求，就電推進(jìn)在我國(guó)GEO衛(wèi)星平臺(tái)應(yīng)用，提出五個(gè)方面的建議：（1）以需求為牽引，深入開(kāi)展電推進(jìn)GEO平臺(tái)應(yīng)用所需關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，盡快突破制約電推進(jìn)深入應(yīng)用所對(duì)應(yīng)的多模式高功率電推進(jìn)系統(tǒng)研制和多任務(wù)在軌應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)；（2）地面模擬與在軌飛行驗(yàn)證是電推進(jìn)商業(yè)飛行應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，商業(yè)應(yīng)用前必須開(kāi)展各級(jí)試驗(yàn)，確保系統(tǒng)可靠性與在軌應(yīng)用技術(shù)驗(yàn)證充分；（3）遵循循序漸進(jìn)的應(yīng)用發(fā)展路線，首先開(kāi)展南北位保等單一任務(wù)應(yīng)用，不斷完善應(yīng)用技術(shù)與體系，積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，南北位保應(yīng)用技術(shù)成熟與穩(wěn)定后，逐步向全位保、全位保+部分軌道轉(zhuǎn)移發(fā)展，最后進(jìn)入全電推應(yīng)用；（4）大力開(kāi)展國(guó)際合作，吸收和借鑒國(guó)外先進(jìn)研制技術(shù)和成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，加快我國(guó)電推進(jìn)系統(tǒng)GEO平臺(tái)商業(yè)應(yīng)用步伐；（5）高性能電推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用應(yīng)兼顧國(guó)內(nèi)任務(wù)需求及技術(shù)與產(chǎn)品先進(jìn)性，快速提高我國(guó)GEO衛(wèi)星平臺(tái)綜合性能，加速我國(guó)GEO衛(wèi)星產(chǎn)品國(guó)際化進(jìn)程。

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